煤矿瓦斯光纤传感器的研究

论文摘要

近年来煤矿瓦斯爆炸频发，对人们的生命和国家的财产都造成了严重危害，甲烷是瓦斯的主要成分，因此对煤矿甲烷气体检查已经成为了科研领域的重点。传统非光学式甲烷气体传感器可以检查到较低浓度的甲烷气体，但是传感器的响应慢、易受污染、寿命短等缺点，并且难以实现在大规模区的连续实时监测。本论文研究了基于光谱吸收原理的甲烷光纤气体传感系统，其结合了光纤技术和弱光电信号处理技术，实现了对甲烷气体的实时、快速、高效检测，另外如果改变系统光源和对应光电器件，还可以实现对多种气体的实时分布式检测。本论文第一章介绍了瓦斯探测的重要意义、非光学式与光纤式气体传感器的特点以及煤矿瓦斯传感器的研究现状等；第二章介绍了气体分子选择吸收特性、吸收线型和吸收线宽，并对甲烷气体的吸收谱线进行了分析；第三章研究了光谱吸收型的几种检测技术方案的原理及特点，确定了差分检测方案，并给出了甲烷光纤传感器的单点和多点检测系统架构；第四章对单点光纤甲烷传感系统的各部分进行了设计，给出了各部分的设计原理和器件的选择；第五章对传感系统进行了实验测试，分析了实验结果；第六章则是对本论文的总结，指出了系统的不足之处，并对本技术的应用进行了展望。本论文第五章的实验测试结果显示，本系统在浓度低于5%时，检测误差在0.3%以下，满足低浓度检测要求；在浓度高于5%时，由于参考光对甲烷气体的吸收，以及滤波片受环境因素的影响，使得测试误差增大，最大测试误差为5%。实验测试还显示本系统具有良好的稳定性和灵敏度，系统分辨率为620ppm。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 气体传感技术概况
• 1.3 煤矿瓦斯气体检测的研究及应用现状
• 1.4 本论文主要研究工作
• 2 光谱吸收型光纤气体传感理论基础
• 2.1 气体分子选择吸收特性
• 2.2 气体分子的吸收线型和线宽分析
• 2.3 甲烷吸收光谱研究
• 2.4 本章小结
• 3 光谱吸收型光纤气体传感检测技术探究
• 3.1 单波长检测技术
• 3.2 差分检测技术
• 3.3 谐波检测技术
• 3.4 光纤环形腔衰荡检测
• 3.5 甲烷单点传感系统结构设计
• 3.6 甲烷多点传感网络结构设计
• 3.7 本章小结
• 4 甲烷单点传感系统的研究设计
• 4.1 光源及控制设计
• 4.2 多波长滤波分光器设计
• 4.3 传感气室设计
• 4.4 光电信号检测
• 4.5 信号处理系统
• 4.6 声光报警设计
• 4.7 本章小结
• 5 光纤甲烷气体传感研究
• 5.1 光谱曲线测试
• 5.2 系统损耗测试
• 5.3 系统标定
• 5.4 系统性能测试
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献