基于光谱吸收式的光纤甲烷气体传感系统

论文摘要

光纤气体传感技术是一项正在发展中的新型测试技术,在矿井、油田以及电力系统安全保护、环境监测和医学等领域具有广阔的应用前景。光纤气体传感器以光作为被测量的信号载体,自身独立性好,可以在各种复杂环境下使用。光信号传输距离长,且易于组网,可满足长距离、多功能、智能化的要求。本文以矿井瓦斯的主要成分甲烷为监测对象,研究基于光谱吸收的全光纤气体监测系统。该系统具有对测量信号有较高的响应速度、测量灵敏度高、动态范围大、防燃防爆、防电磁干扰、不易中毒等优点。在实际测量中,传感头可以放置在人和仪器不易进入的易燃易爆、有毒等恶劣环境中,实现信号在线遥测,从而达到实时监测甲烷浓度、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。根据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。利用虚拟仪器技术,将采集的信号进行解调及加工处理和计算,用软件代替了复杂的硬件电路,简化了设计。得到的瓦斯浓度能够在图形界面上显示,并进行保存,以便用于瓦斯突出,瓦数预测等其它后续工作。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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光纤气体传感器
• 1.2.1 光纤气体传感器的分类
• 1.2.2 气体传感器性能比较
• 1.2.3 气体传感技术的现状和存在的问题
• 1.2.4 吸收式光纤气体传感器的研究现状
• 1.3 研究目的及意义
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第二章 光谱吸收式气体检测原理及方法
• 2.1 引言
• 2.2 气体分子近红外选择吸收
• 2.2.1 气体分子的运动形式及其光谱
• 2.2.2 基频、泛频及组合频率光谱
• 2.2.3 甲烷气体吸收谱线的选择
• 2.2.4 气体分子的典型吸收线
• 2.3 吸收检测的原理
• 2.4 气体浓度的谐波检测
• 2.4.1 窄带光源的谐波检测
• 2.4.2 光纤光栅调制 LED 宽带光源进行谐波检测
• 2.5 谐波检测方案的选择
• 2.5.1 谐波检测的灵敏度限制因素
• 2.5.2 谐波次数的选取
• 2.5.3 调制频率的选择
• 2.6 多点光纤气体传感网络
• 2.6.1 光纤无源传感网络
• 2.6.2 光纤气体传感复用技术
• 2.7 本章小结
• 第三章 光纤甲烷气体检测系统的设计
• 3.1 引言
• 3.2 光源的选择
• 3.2.1 白炽光源
• 3.2.2 气体激光器
• 3.2.3 半导体光源
• 3.3 敏感元件（吸收气室）结构
• 3.4 光源驱动及正弦波发生电路的设计
• 3.4.1 光源驱动电路的设计
• 3.4.2 正弦波发生电路的设计
• 3.5 温控电路的设计
• 3.6 光电探测器的选择
• 3.7 前置放大电路的设计
• 3.8 滤波电路设计
• 3.8.1 两种有源带通滤波器
• 3.8.2 同步积分滤波电路
• 3.9 锁相放大电路的设计
• 3.10 基于虚拟仪器的信号处理系统设计
• 3.10.1 虚拟仪器的编程软件—LabVIEW
• 3.10.2 信号解调及处理程序的设计
• 3.10.3 波形显示的设计与实现
• 3.10.4 数据的存储、打印与读取
• 3.11 本章小结
• 第四章 光纤甲烷气体传感系统的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 系统的灵敏度和分辨率
• 4.3 DFB LD 光谱特性测试
• 4.4 光纤链路损耗实验
• 4.5 甲烷吸收实验
• 4.6 本章小节
• 结语
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间的研究成果