基于近红外吸收原理的甲烷浓度检测研究

论文摘要

甲烷是一种易燃、易爆气体,是矿井瓦斯和多种液体燃料的主要成分,及时准确地检测甲烷浓度对工矿安全生产和环境监测有着极其重要的意义。光纤气体传感技术是一种高灵敏度的气体检测技术。论文以甲烷浓度检测为目的,进行基于近红外吸收原理的光纤甲烷气体传感技术的研究。论文的主要工作如下:首先,论述了近红外吸收型光纤气体传感器的国内外研究现状和发展趋势,分析了光纤气体传感中的影响因素和关键技术。通过对分子光谱理论的分析,给出气体吸收测量的理论基础,并确定了甲烷气体的近红外吸收谱线,对其吸收特性进行分析,为传感器数学模型的建立奠定理论基础。其次,针对甲烷在近红外波段吸收弱的特点,把光谱调制技术用于浓度检测。详细论述了波长调制和谐波检测的基本原理,通过数值模拟确定了谐波次数的选取,建立了谐波检测的数学模型和基于谐波检测原理的双光路检测方案;分析了强度调制和甲烷浓度差分检测原理,建立了光纤光栅式差分检测方案;并给出了检测微弱信号的锁相放大技术,实现了所测信号的提取和放大。最后,阐述了甲烷检测系统中光源、气室、光电探测器以及光路部分和电信号检测部分的特性及对测量的影响,设计了可以减小干涉噪声的小型渐变折射率透镜气室结构。测量了光源光谱特性,对甲烷近红外吸收特性,检测信号和气体浓度的关系以及系统的重复性和稳定性进行了实验研究,给出了实验结果,验证了系统的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 气体检测方法概述
• 1.3 光纤气体传感技术
• 1.3.1 吸收型光纤气体传感器
• 1.3.2 荧光型光纤气体传感器
• 1.3.3 弹光型光纤气体传感器
• 1.3.4 燃料指示剂型光纤气体传感器
• 1.3.5 折射率变化型光纤气体传感器
• 1.3.6 光谱吸收式光纤气体传感器国内外研究现状
• 1.4 近红外吸收式光纤气体传感器的关键技术
• 1.5 课题研究的目的和意义
• 1.6 论文的主要研究内容
• 第2章 光谱吸收式气体检测机理
• 2.1 引言
• 2.2 气体分子光谱理论
• 2.2.1 分子的运动形式及其光谱
• 2.2.2 多原子分子的振动光谱及振动的泛频和组合频率光谱
• 2.2.3 光谱线的形状与展宽
• 2.3 甲烷气体分子的近红外选择吸收
• 2.4 近红外吸收式光纤气体检测原理
• 2.5 本章小结
• 第3章 光谱调制技术在甲烷浓度检测中的应用
• 3.1 引言
• 3.2 光波长调制与甲烷浓度谐波检测
• 3.2.1 谐波检测的基本原理
• 3.2.2 谐波检测方案的选择
• 3.2.3 基于谐波检测原理的双光路浓度检测
• 3.3 光强度调制与差分吸收检测
• 3.3.1 基本原理
• 3.3.2 基于光强调制的气体浓度差分吸收检测
• 3.4 锁相放大技术
• 3.4.1 互相关检测原理
• 3.4.2 相敏检波原理
• 3.4.3 锁相放大器原理
• 3.5 本章小结
• 第4章 甲烷浓度检测系统的设计
• 4.1 引言
• 4.2 光源的选择
• 4.2.1 发光二极管
• 4.2.2 分布反馈式半导体激光器
• 4.3 气室的选择与设计
• 4.3.1 气室的结构类型
• 4.3.2 气室结构的选取
• 4.4 光路部分介绍
• 4.5 信号转换与处理部分
• 4.5.1 光电转换部分
• 4.5.2 电信号的检测部分
• 4.6 本章小结
• 第5章 甲烷浓度检测的实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 光源光谱特性实验
• 5.3 甲烷的吸收谱测量
• 5.4 气体浓度与二次谐波信号关系实验
• 5.5 双光路甲烷浓度检测实验
• 5.6 检测系统的重复性和稳定性实验
• 5.6.1 重复性实验
• 5.6.2 稳定性实验
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介