光纤瓦斯传感的调制技术及虚拟化研究

论文摘要

目前,我国煤矿瓦斯爆炸问题严峻,为了实时准确监控井下瓦斯浓度,安全可靠、高灵敏度、高精度的瓦斯传感器就显得至关重要。光纤气体传感检测具有传统传感器无可比拟的优势,但现有检测装置由于种种原因造成离实用化还有很大距离,本文希望旨在这方面有所贡献。本文首先分析了光纤调制技术,重点分析了外调制的电光调制原理及其技术,然后对目前广泛使用的基于波长调制的光谱吸收式瓦斯浓度检测进行了重点分析；在此基础上,分析了结构简单的差分检测技术和灵敏度高的谐波检测技术,提出了一种基于波长调制技术的谐波检测装置,对装置的各种硬件设计要求及相关参数都作了说明；为了使装置的激光波长精确锁定在气体吸收线中心,本文设计了数字PID控制器实现稳频：同时,装置使用软件替代硬件,基于计算机平台使用虚拟仪器软件Labview调用数据采集卡驱动,使用ActiveX技术调用稳频PID控制MATLAB程序、编程设计一次谐波提取、IIR数字信号滤波、数据保存等各子程序,最后完成监控界面设计,实现了瓦斯气体浓度数据采集、保存、处理和显示报警等,最后通过实验对比得出本文设计的瓦斯检测装置稳频效果良好、灵敏度高、可信度高、精度高。本文设计的光纤瓦斯传感检测装置在各种性能指标上都能满足实际要求,今后若将Labview虚拟仪器应用到嵌入式等微处理器上,使得装置体积结构进一步缩小,迈出本装置走向实用化的关键一步。[注：本课题来源于国家自然科学基金资助(50574005)；安徽省自然科学基金项目(11040606M103)；安徽高校省级自然科学研究重点资助项目(KJ2011A0973)]图[46]表[2]参[79]

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 课题研究的目的
• 1.3 国内外研究动态
• 1.4 课题研究的主要内容
• 2 光纤传感调制技术
• 2.1 调制概述
• 2.2 强度调制
• 2.3 外调制
• 2.3.1 电光效应
• 2.3.2 电光调制
• 3 光纤瓦斯传感调制技术
• 3.1 可调谐二极管激光吸收光谱技术
• 3.1.1 直接吸收光谱技术
• 3.1.2 幅度调制技术
• 3.1.3 平衡检测技术
• 3.1.4 扫描积分技术
• 3.2 光谱调制技术
• 3.3 气体分子吸收线
• 3.4 检测灵敏度与极限
• 3.5 噪声压缩与检测灵敏度的提高
• 3.5.1 机械调制
• 3.5.2 改型的调制方案
• 3.5.3 背景扣除
• 3.5.4 检测信号后期处理
• 4 波长调制型谐波检测瓦斯传感系统
• 4.1 差分检测
• 4.1.1 提出差分检测系统
• 4.1.2 差分检测基本原理
• 4.1.3 差分检测目前存在的技术问题
• 4.2 谐波检测
• 4.2.1 波长调制技术及谐波检测原理
• 4.2.2 谐波检测目前存在的技术问题
• 4.3 光纤瓦斯检测系统
• 4.3.1 波长调制型光纤瓦斯检测系统
• 4.3.2 系统结构
• 4.4 系统硬件介绍
• 4.4.1 光源
• 4.4.2 光隔离器
• 4.4.3 光电探测器
• 4.4.4 锁相放大器
• 4.4.5 数据采集卡
• 4.4.6 甲烷吸收池（怀特池）
• 5 波长调制型谐波检测系统稳频PID控制
• 5.1 稳频概述
• 5.2 数字PID控制算法
• 5.2.1 位置式PID控制算法
• 5.2.2 增量式PID控制算法
• 5.2.3 积分分离式PID控制算法
• 5.3 PID控制算法对比测试
• 5.4 PID参数整定
• 5.4.1 Ziegler-Nichols整定法
• 5.4.2 工程试验法
• 6 光纤瓦斯检测系统虚拟化
• 6.1 虚拟仪器概念概述
• 6.1.1 虚拟仪器基本概念
• 6.1.2 设计虚拟仪器的软件工具
• 6.2 虚拟仪器系统硬件设计
• 6.3 虚拟仪器系统软件设计
• 6.3.1 功能软件模板设计
• 6.3.2 检测系统软件模板设计
• 7 结论和展望
• 7.1 检测系统稳频性能测试结果
• 7.2 检测系统整体对比性能测试结果
• 7.3 文章所作的工作和创新点
• 7.4 下一步深入研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果