光谱吸收式光纤甲烷气体传感系统的研究

【摘要】：WP=4 随着工农业的迅速发展，矿井、油田、电力系统安全保护以及环境保护成为越来越值得重视的问题。数以千万计的大型动力工厂和矿业部门排放出大量的易燃、易爆、有毒、有害气体，使人类的生存环境和人身安全受到严重威胁，因此对这些气体进行快速、实时检测对于工矿安全生产及环境保护有特别重要的意义。 本文以矿井瓦斯的主要成分甲烷为目标气体，研究基于光谱吸收方法的全光纤气体检测系统。该系统具有灵敏度高，响应速度快，动态范围大，防燃防爆，防电磁干扰，不易中毒等优点，可将传感头放置在人和仪器不易进入的易燃易爆、有毒等恶劣环境中，实现在线遥测，从而达到实时检测甲烷浓度、及时报警，避免瓦斯爆炸事故发生的目的。 通过对气体近红外选择性吸收的理论分析，给出了气体吸收测量的理论依据。并确定了甲烷气体的吸收谱线，找出适合普通石英光纤进行较长距离低损耗传输的光谱特性。采用分布反馈式半导体激光器(DFB LD)作为光源，通过光源调制实现气体浓度的谐波检测，利用二次谐波与一次谐波的比值来消除由光源的不稳定等因素所引起的检测误差。建立了谐波检测的数学模型。 文中论述了近红外波段激发光源的光强稳定技术； DFB LD和气体吸收峰中心波长精确对准技术；测量信号和参考信号的获取与比值处理技术。对测量系统的光路、气室以及电路进行了设计，给出了以锁相放大器为核心的微弱信号检测电路和微型计算机处理电路。 进行了光纤甲烷气体传感系统的实验研究，验证了系统的可行性，并给出了实验结果。 【关键词】：实时 甲烷 光谱吸收 DFB LD 光源调制 谐波检测
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：TH83
【目录】：

• 中文摘要4-5
• 英文摘要5-10
• 第1章 绪论10-23
• 1．1 引言10-11
• 1．2 气体检测的基本方法11-16
• 1．2．1 化学气敏传感器11-12
• 1．2．2 气相色谱分析方法12-13
• 1．2．3 光谱吸收法13
• 1．2．4 荧光法13-15
• 1．2．5 气体传感器性能比较15-16
• 1．3 光纤气体传感器16-21
• 1．3．1 内作用型光纤气体传感器18
• 1．3．2 外作用型光纤气体传感器18-19
• 1．3．3 吸收式光纤气体传感器的国内外研究现状19-21
• 1．4 课题来源及研究的目的和意义21-22
• 1．4．1 课题来源21
• 1．4．2 研究目的及意义21-22
• 1．5 论文的主要研究内容22-23
• 第2章 光谱吸收式气体检测原理及方法23-38
• 2．1 引言23
• 2．2 气体分子近红外选择性吸收23-29
• 2．2．1 气体分子的运动形式及其光谱24-25
• 2．2．2 基频、泛频及组合频率光谱25-26
• 2．2．3 甲烷气体吸收谱线的选择26-28
• 2．2．4 气体分子的典型吸收线28-29
• 2．3 光谱吸收式光纤气体检测方法29-36
• 2．3．1 差分吸收检测31-34
• 2．3．2 调制技术34-36
• 2．4 本章小结36-38
• 第3章 甲烷气体浓度的谐波检测38-54
• 3．1 引言38
• 3．2 气体浓度的谐波检测38-52
• 3．2．1 窄带光源的谐波检测38-46
• 3．2．2 光纤光栅调制LED宽带光源进行谐波检测46-50
• 3．2．3 宽带光源谐波检测及系统设计50-52
• 3．3 谐波检测方案的选择52-53
• 3．3．1 谐波检测的灵敏度限制因素52
• 3．3．2 谐波次数的选取52
• 3．3．3 调制频率的选择52-53
• 3．4 本章小结53-54
• 第4章 光纤甲烷气体检测系统的设计54-81
• 4．1 引言54
• 4．2 光源的选择54-58
• 4．2．1 发光二极管54-55
• 4．2．2 半导体激光器55-57
• 4．2．3 分布反馈式半导体激光器57-58
• 4．3 气室的设计58-60
• 4．4 光源驱动及正弦发生电路的设计60-63
• 4．4．1 光源驱动电路的设计60-62
• 4．4．2 正弦波发生电路的设计62-63
• 4．5 温控电路的设计63-64
• 4．6 光电探测器的选择64-66
• 4．7 前置放大电路的设计66-70
• 4．8 滤波电路的设计70-73
• 4．8．1 两种有源带通滤波器70-72
• 4．8．2 同步积分滤波电路72-73
• 4．9 锁相放大电路的设计73-76
• 4．10 数据处理系统的设计76-80
• 4．11 本章小结80-81
• 第5章 光纤甲烷气体传感系统的实验研究81-89
• 5．1 引言81
• 5．2 DFBLD光谱特性测试81-82
• 5．3 光纤链路损耗试验82-84
• 5．4 气体浓度与检测信号关系实验84-86
• 5．5 示值比对实验86-87
• 5．6 重复性实验87-88
• 5．7 稳定度测试实验88
• 5．8 本章小结88-89
• 结论89-90
• 参考文献90-95
• 攻读硕士学位期间所发表的论文95-96
• 致谢96-97
• 个人简介97

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