可调谐激光瓦斯浓度检测系统的设计与实现

论文摘要

在我国,煤炭行业中的瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌。在煤矿开采过程中,安全方面的隐患正在逐渐增多,瓦斯事故,特别是重大、特大瓦斯事故在煤矿事故中占的比例逐年升高。因此,实时检测甲烷气体的产生源、泄露源及浓度,对工矿安全运行,人身安全及环境保护有着十分重要的作用。本课题对光纤气体传感器进行研究并进行系统实验,以达到光纤气体传感器在工业现场广泛应用的目的。研究重点对甲烷气体的检测,并研制出仪器仪表、传感器和数据分析处理显示系统,对煤矿井下采掘工作面、回风巷道和机电峒室等有瓦斯爆炸气体环境的瓦斯浓度进行实时测定,显示瓦斯瞬时浓度和超限报警。系统输出是与被测瓦斯含量成正比的频率信号。本安全防爆设计,能够用于矿井采掘现场,在煤矿安全防爆的监控中,与各种煤矿安全监测系统配套使用,从而实现了光纤气体传感器的实用化。本文的主要工作包括以下几个方面:(1)分析了气体光谱吸收的基本原理,重点研究了可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)。(2)利用HITRUN数据库对测量气体的吸收峰进行了筛选,选择了吸收强度最强、气体之间相互影响小的吸收峰。并且在选择好波长和测量方法的基础上,对光源及光电二极管进行了选型。(3)在理论分析的基础上,进行了光路、电路和气室的设计。在电路设计上采用锁相放大器来提取微弱信号,最大限度的抑制噪声,提高系统的信噪比。并将小波变换技术应用于甲烷吸收光谱信号的滤波、平滑和去噪处理。(4)对系统进行本质安全防爆设计,能够更好的应用于矿井现场实时测量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题来源
• 1.3 课题研究的目的和意义
• 1.4 吸收式光纤气体传感器及其研究现状
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第2章 红外光谱吸收型光纤气体传感器的原理及方法研究
• 2.1 气体光谱吸收基本原理
• 2.2 可调谐半导体激光吸收光谱技术
• 2.3 可调谐半导体激光技术（TDLAS）测量的方法
• 第3章 气体传感系统各部分性能分析
• 3.1 检测系统的总体结构
• 3.2 光纤气体传感器的光源选用
• 3.2.1 发光二极管（LED）
• 3.2.2 半导体激光器
• 3.2.3 分布反馈式半导体激光器（DFB LD）
• 3.3 光源驱动
• 3.3.1 光源电流控制
• 3.3.2 光源温度控制
• 3.4 传感部分的设计
• 3.5 光电检测电路
• 3.5.1 半导体光电探测器
• 3.5.2 前置放大电路
• 3.6 锁相放大电路
• 3.6.1 锁相倍频电路
• 3.6.2 锁相放大电路
• 3.7 软件设计
• 3.8 本质安全防爆设计
• 第4章 基于小波变换的光纤甲烷气体检测系统的去噪研究
• 4.1 引言
• 4.2 小波去噪
• 4.2.1 小波变换去噪原理
• 4.2.2 基本思路
• 4.3 基小波和小波分解层数的选择
• 4.3.1 基小波的选择
• 4.3.2 小波分解层数的选择
• 4.4 阈值函数的选取
• 4.4.1 常用的阈值函数
• 4.4.2 阈值函数的几种改进方案
• 4.5 阈值的选择
• 4.5.1 VisuShrink阈值
• 4.5.2 SUREShrink阈值
• 4.5.3 HeurSure阈值（启发式SURE阈值）
• 4.5.4 极小极大（Minimaxi）阈值
• 4.6 数据采集、小波处理
• 第5章 系统实验
• 5.1 试验系统
• 5.2 DFB LD的特性测试
• 5.2.1 DFB LD的输出波长随温度的变化
• 5.2.2 DFB LD输出波长随注入电流的变化
• 5.3 系统的标定实验
• 5.3.1 温度标定试验
• 5.3.2 示值比对实验
• 5.3.3 重复性实验
• 5.3.4 稳定度测定实验
• 5.4 技术指标
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录: 攻读硕士学位期间发表论文目录