基于宽带光源的相关光谱式甲烷传感理论建模及设计实现

【摘要】：对易燃易爆或者有毒有害气体进行有效的监测预报和控制,是目前煤炭、化工、石油、电力等部门亟待解决的重要问题,特别是在能源生产和运输方面,如何降低易燃易爆或有毒有害气体对生产过程和人类健康造成的威胁,并对其演化规律和发展趋势进行预测、控制和监测预报,已成为当前亟待解决的重要问题。所以,对各类气体检测方法的研究已成为传感技术领域中一个特别重要的课题。本论文以甲烷气体浓度的测量为研究对象,对基于红外宽带光源的相关光谱式气体传感系统进行了系统研究。主要内容包括： (1)从气体分子光谱的跃迁机制出发,对分子的振动光谱、转动光谱、振动-转动光谱,和吸收光谱的线形、线宽等理论进行了介绍,并对气体吸收的一般方程进行了分析和修正。最后在介绍相关光谱技术原理与气体红外吸收计算方法的基础上,确定了甲烷吸收光谱的检测波段,并结合HITRAN数据库对一般环境下多组分气体的红外吸收进行了模拟计算,建立了基于宽带光源的相关光谱式甲烷传感器模型。(2)对基于相关光谱技术的红外气体传感系统的总体设计进行了介绍,并针对系统需求分析,对系统中所用的红外光源和光电探测器进行了比较与选型。通过光学仿真软件Tracepro对宽带光源建模并进行光线的模拟与追迹,确定了不同反射罩下光源的最佳发光点位置；经过气体光路传感部分的仿真分析与实际情况下光吸收的测量,确定了最佳的样品气室长度,实现了对传感气室的结构设计和参数优化,最后介绍了基于虚拟仪器测试系统的硬件和软件部分。 (3)从分析光谱吸收式甲烷检测中的干扰因素入手,对微弱信号的特征提取技术进行了介绍,并对提取算法的评价指标进行了分析,在数据处理系统的设计中,提出通过采用FFT频域滤波与Savitzky-Golay数字滤波相结合的方法对光谱吸收数据进行处理,使吸收光谱的灵敏度与信噪比大幅提高,为气体浓度的精确反演提供了可靠的数据保障。 (4)针对自行研制的CH4气体传感系统,对标定的原理、算法进行了深入阐述,确定了常温常压下CH4气体的浓度反演曲线；利用HITRAN数据库对温度、压力等环境因素对输出的影响进行了仿真,通过温度补偿实现了温度效应的自我修正；最后对气体传感系统进行了系统的研究和评价实验,包括响应时间实验、灵敏度、交叉干扰实验、稳定性实验,实验结果表明该系统具有较高的精确度与稳定性,验证了该系统对甲烷浓度检测的可行性。 【关键词】：相关光谱 甲烷检测 光学模拟仿真 数字滤波 曲线拟合 气室设计 中红外光源
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-11
• 目录11-14
• 图索引14-19
• 表索引19-20
• 第一章 绪论20-40
• 1.1 课题研究的背景及意义20-22
• 1.2 国内外气体监测技术概述22-38
• 1.2.1 气体传感技术的种类及对比22-35
• 1.2.2 相关光谱技术研究现状35-38
• 1.3 论文的主要研究内容及结构安排38-40
• 第二章 光谱吸收型气体传感机理及理论建模40-64
• 2.1 引言40
• 2.2 气体分子光谱理论40-51
• 2.2.1 红外光谱产生机理及量子化能级41-42
• 2.2.2 气体分子光谱基本理论42-44
• 2.2.3 多原子分子振-转光谱与甲烧分子的精细结构44-48
• 2.2.4 光谱线线型及展宽机制48-51
• 2.3 气体吸收理论51-54
• 2.3.1 气体吸收的一般方程51-52
• 2.3.2 修正的气体吸收定律52-54
• 2.4 气体相关光谱吸收基本测量原理及仿真建模分析54-63
• 2.4.1 相关光谱技术原理54-56
• 2.4.2 相关光谱式气体传感器模型的建立与仿真56-63
• 2.5 本章小结63-64
• 第三章 COSPEC技术测量CH_4气体浓度的系统设计64-88
• 3.1 引言64
• 3.2 COSPEC系统的总体结构及硬件实现64-83
• 3.2.1 实验装置-传感系统的总体结构64-66
• 3.2.2 传感器信号调制技术66-68
• 3.2.3 气体传感系统的光路设计68-77
• 3.2.4 测量气室结构77-83
• 3.3 COSPEC技术测量系统的软件系统实现方案83-86
• 3.3.1 基于PXI-6251多功能数据采集卡的信号采集83
• 3.3.2 基于LabVIEW的监测界面设计83-86
• 3.4 本章小结86-88
• 第四章 气体传感系统的光电微弱信号处理88-108
• 4.1 引言88
• 4.2 常规微弱信号特征提取方法88-90
• 4.2.1 气体传感系统的噪声分析88-90
• 4.2.2 微弱信号特征提取技术90
• 4.3 降噪性能评价标准90-92
• 4.3.1 传统的降噪性能评价指标90-92
• 4.3.2 改进的降噪性能评价标准92
• 4.4 数据处理系统的设计实现92-106
• 4.4.1 傅里叶变换频域滤波性能分析及仿真95-103
• 4.4.2 Savitzky-Golay数字滤波技术103-105
• 4.4.3 甲烷吸收光谱的联合滤波算法105-106
• 4.5 本章小结106-108
• 第五章 传感器性能测试实验结果与分析108-122
• 5.1 引言108
• 5.2 实验系统构建108-115
• 5.2.1 实验平台及材料108-110
• 5.2.2 信号波形分析110-111
• 5.2.3 系统的标定实验111-115
• 5.3 环境因素对测量的影响115-118
• 5.3.1 温度对测量的影响与补偿115-118
• 5.3.2 压力对测量的影响与分析118
• 5.4 样机系统实验与结果比较分析118-121
• 5.4.1 响应时间实验118-119
• 5.4.2 灵敏度119-120
• 5.4.3 交叉干扰实验120
• 5.4.4 稳定性实验120-121
• 5.5 本章小结121-122
• 第六章 全文总结与展望122-126
• 6.1 主要研究内容和结论122-123
• 6.2 研究展望123-126
• 参考文献126-134
• 致谢134-135
• 攻读博士学位期间已发表和录用的学术论文135-136
• 攻读学位期间主持和参与的科研项目136

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