基于红外检测和无线传感技术的井下瓦斯检测系统研究

论文摘要

瓦斯爆炸是造成煤矿安全事故的重大因素之一,这给国家和人们生命财产造成了重大损失。因此对瓦斯进行实时检测在煤矿安全生产系统中显得非常重要。本文以甲烷为目标气体,通过分析和比较多种气体浓度检测方法,根据系统的检测要求和应用环境,选择红外检测技术作为本系统的理论方法。通过对甲烷气体在近红外吸收谱线的研究,考虑到传输光纤的低损耗特性,确定了甲烷气体的强吸收谱线,设计了一种带有参比气室的光纤瓦斯气体在线实时检测系统。采用双波长差分检测技术,有效消除了由光源、光纤和探测器的不稳定所引起的检测误差,提高了检测灵敏度。通过对Zigbee、蓝牙、Wi-Fi等无线通信技术的比较,采用Zigbee技术作为智能传感器的通信方式,在此基础上对Freescale单片机MC9S08GT60和射频芯片MC13192的功能结构和工作原理进行了研究,并且以它们为基础设计了Zigbee模块完成了智能传感器无线通信平台的硬件搭建。给出了智能无线瓦斯传感器的整体硬件结构框图,软件方面设计了整体流程和两个传感器之间的通信流程。最后,针对系统可能出现的误差进行分析,并给出了合适的误差解决方案。并根据实验室现有的实验条件和仪器设备,对所设计系统的进行实验研究。实验结果表明本文所提的气体检测方案性能良好、系统简单,理论和实验结果相符合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 红外气体检测技术的国内外研究进展
• 1.2.1 国外气体检测研究进展状况
• 1.2.2 国内气体检测研究进展状况
• 1.3 气体检测技术的发展概况
• 1.3.1 气体检测原理概述
• 1.3.2 红外检测方法分析
• 1.4 课题研究的目的和意义
• 1.5 课题来源
• 2 CH4 气体红外检测原理
• 2.1 瓦斯气体吸收理论
• 2.2 甲烷气体特征吸收谱线的选择
• 2.3 朗伯-比尔定律
• 3 光纤传感原理及传感特性
• 3.1 光纤传感原理及分类
• 3.2 光纤的传输特性
• 3.2.1 光纤的损耗特性
• 3.2.2 光纤的色散特性
• 3.3 光纤的连接与耦合
• 3.3.1 光纤与光纤的耦合
• 3.3.2 光纤与光源和探测器的耦合
• 3.3.3 光纤与气室的耦合
• 3.4 光电信号变换与检测技术
• 4 红外瓦斯传感器系统结构设计
• 4.1 红外瓦斯传感系统的器件选择
• 4.1.1 红外光源的选择
• 4.1.2 红外滤光片的选择
• 4.1.3 红外探测器的选择
• 4.1.4 红外瓦斯传感器的气室设计要求
• 4.2 红外传感器光学部分设计
• 4.2.1 待测气体取样方法的确定
• 4.2.2 双光源双探测器的光路模型
• 4.2.3 具有参比气室的双光源双探测器结构
• 4.2.4 红外瓦斯传感器的工作原理
• 4.3 红外瓦斯传感器的硬件方案设计
• 4.3.1 单片机的选择
• 4.3.2 硬件功能模块的实现方案
• 5 井下数据无线传输
• 5.1 无线传感技术的选择
• 5.1.1 几种主要的无线传输技术的简介
• 5.1.2 Zigbee 和几种无线传输技术的比较
• 5.2 井下无线传输的总体结构
• 5.2.1 地面监控中心
• 5.2.2 井下瓦斯监控分站
• 5.2.3 移动式瓦斯传感器
• 5.3 无线数据传输系统
• 5.3.1 芯片选择
• 5.3.2 MC13192 与单片机的连接
• 5.3.3 MC13192 支撑电路
• 5.3.4 天线电路
• 5.4 数据传输模式
• 5.5 系统软件流程
• 5.5.1 传感器整体流程
• 5.5.2 传感器通信流程
• 6 系统误差分析及解决措施
• 6.1 发光光源和探测器带来的误差
• 6.1.1 光源频谱特性带来的误差
• 6.1.2 发光光源发射功率不稳定产生的误差
• 6.1.3 探测器灵敏度不稳定产生的误差
• 6.2 非检测光源红外辐射带来的误差
• 6.2.1 背景辐射的影响
• 6.2.2 杂散光的影响
• 6.3 电子线路的噪声带来的误差
• 6.4 杂质气体组分红外吸收产生的干扰
• 6.5 光学器件粉尘水气污染、磨损带来的误差
• 6.5.1 镜面粉尘污染误差
• 6.5.2 水蒸气和镜面凝雾误差
• 6.5.3 光学器件磨损的影响
• 6.6 采样时机和采样方法的误差
• 7 光纤甲烷检测系统的性能及实验研究
• 7.1 光纤链路损耗实验
• 7.2 甲烷气体的吸收实验
• 7.3 系统的稳定性分析
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间已发表的学术论文