双波长光纤甲烷传感系统的研究

论文摘要

在我国煤炭行业日趋规模化的背景下,煤矿安全生产关系到国民经济的稳定可持续发展。煤矿安全问题集中体现在瓦斯灾害上,它已成为制约煤矿安全生产的主要矛盾。我国煤矿安全事故不时发生,尤其是重大瓦斯爆炸事故,极大地威胁了井下矿工的生命安全,同时也造成重大的社会经济损失。对煤矿安全生产进行有效监管,很大程度上可预防瓦斯事故的发生。本文在分析国内外煤矿瓦斯检测技术以及传统煤矿瓦斯检测系统的基础上,构建了一种基于双波长技术的光纤甲烷传感系统,采用双波长技术与激光吸收光谱技术相结合的方法对煤矿瓦斯进行监测,同时利用光纤特点使整个系统在探测灵敏度、安全性、抗干扰强度等方面有很大改善。论文首先研究和分析了双波长选取方法,并将几种波长选取的方法进行比较,根据实际情况最终选取系数倍率法；其次介绍了双波长光纤气体传感系统的测量原理,它是在目前激光吸收光谱测量原理的基础上,采用双波长测量技术以消除由光源和气室造成的干扰,使得系统精确度得到较大提高；最后通过实验对系统进行性能测试、对比性测试和稳定性测试以验证系统的可行性。实验结果表明,双波长光纤甲烷传感系统可以实现对煤矿瓦斯浓度进行在线、实时、快速的监测。实验得出的数据可实时记录瓦斯浓度,检测信号强度以及相关性系数等,所有数据都能实时调出并可对其保存。此外,当检测值超过报警限时,系统会发出报警信号。基于双波长的光纤甲烷传感技术的系统研究具有十分重要的意义,因此该系统在煤矿瓦斯监测中的推广具有广阔的应用前景。[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(KJ2011 A0973)]图[56]表[5]参[60]

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究动态
• 1.3 课题研究的目的及意义
• 1.4 本论文的主要工作
• 2 双波长测量及波长选取技术
• 2.1 双波长测量技术
• 2.1.1 双波长测量技术的发展及应用
• 2.1.2 双波长测量技术的特点
• 2.2 双波长测量中波长的选取技术
• 2.2.1 等吸收法
• 2.2.2 系数倍率法
• 2.2.3 补偿计算法
• 2.2.4 用计算机选取双波长
• 2.3 本章小节
• 3 双波长光纤甲烷气体传感系统的测量技术
• 3.1 光谱学基本理论
• 3.1.1 光的自发和受激发射
• 3.1.2 光吸收的电磁理论
• 3.1.3 光谱线的线形和宽度
• 3.2 甲烷在近红外的吸收光谱
• 3.2.1 甲烷分子的运动形式
• 3.2.2 甲烷气体分子的吸收谱线
• 3.3 波长光纤气体传感系统的测量原理
• 3.3.1 激光吸收光谱原理
• 3.3.2 双波长光纤甲烷传感系统的检测原理
• 3.4 本章小结
• 4 双波长光纤气体传感系统设计
• 4.1 光纤传感系统框图
• 4.2 激光器
• 4.2.1 半导体激光器
• 4.2.2 半导体发光二极管
• 4.2.3 半导体分布反馈激光器
• 4.3 单色器
• 4.4 斩光器
• 4.5 吸收池
• 4.6 接收装置
• 4.6.1 PIN型光电探测器
• 4.6.2 光敏电阻
• 4.6.3 电荷耦合器
• 4.6.4 硅光电二极管阵列
• 4.6.5 光电倍增管
• 4.7 本章小结
• 5 双波长光纤甲烷传感系统的实验研究及实现
• 5.1 实验系统构建
• 5.2 系统软件设计
• 5.2.1 软件使用方法
• 5.2.2 参数设置
• 6 实验结果与分析
• 6.1 系统性能测试
• 6.2 对比测试
• 6.3 稳定性测试
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介