基于红外差分检测的甲烷气体传感器研制

论文摘要

甲烷是一种易燃易爆气体,是矿井瓦斯及天然气等多种气体燃料的主要成分。它广泛存在于地质煤层中,是威胁煤矿安全的第一因素。因此,研究一种检测方法,实时准确地检测甲烷浓度,对煤矿安全运行有重要意义。到目前为止,检测甲烷气体浓度的方法有很多种,国内使用的检测方法主要有：催化元件法、热传导法、光干涉法和红外光谱吸收法。红外光谱吸收法是近几年来发展起来的一种新方法,它是由光谱分析技术发展的产物。利用这种原理所研制的瓦斯传感器可以克服现役传感器固有的缺陷,实现反应快、寿命长、调校周期长等技术目标。用红外吸收法检测甲烷气体浓度时,误差的补偿是提高检测精度的核心。通常采用各种差分的方法来进行误差补偿,提高检测精度。本文基于红外差分检测原理,设计了一种双波长差分甲烷传感器。利用旋转滤光盘控制滤波和光的通过,使测量光和参考光分时通过光路,实现了单光源单光路单探测器结构。这种结构消除了光源功率波动、光路损耗以及探测器的不稳定带来的误差,提高了检测精度。本文所做的工作主要有：(1).阐述了检测甲烷气体浓度常用的几种检测方法,对比分析了几种方法的优缺点,并重点介绍红外光谱吸收法测甲烷的检测机理。(2).介绍了红外法补偿误差常用的谐波检测法和差分吸收法。重点分析几种常用的差分检测方法,经过对比,选择时间双波长差分法作为检测方法。(3).介绍了改进的双波长差分甲烷气体传感器的设计方案。传感器采用一个四位的波长转换装置,实现了单光源单光路单探测器结构,消除了探测器不稳定带来的误差。设计的半开放式多光路反射气室,可方便地动态调节系统灵敏度。(4).采用标准气体对传感器进行了浓度标定,用MATLAB软件对得到的测量结果进行三项式拟合的运算,得到三项拟合式。进行了示值对比实验和稳定度实验,并对实验结果进行分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究目的及意义
• 1.2 甲烷气体检测研究现状
• 1.2.1 催化元件法
• 1.2.2 热传导式
• 1.2.3 光干涉法
• 1.2.4 光谱吸收法
• 1.3 光纤和非光纤传感器
• 1.4 红外光谱吸收法测甲烷的特点
• 1.5 课题来源及论文的主要研究内容
• 第二章 红外甲烷气体传感器检测原理
• 2.1 气体分子选择吸收理论
• 2.2 朗伯比尔定律
• 2.3 气体分子的吸收谱线
• 2.3.1 分子能级结构
• 2.3.2 甲烷的吸收光谱
• 2.4 本章小结
• 第三章 红外甲烷气体传感器检测方法
• 3.1 谐波检测法
• 3.2 差分吸收法
• 3.2.1 单波长差分法
• 3.2.2 双波长差分法
• 3.2.3 时间双波长差分法
• 3.3 本章小结
• 第四章 甲烷气体传感器设计方案
• 4.1 引言
• 4.2 传感器总体方案设计
• 4.3 传感器光源的选择
• 4.3.1 吸收谱线的选择
• 4.3.2 光源的选择
• 4.4 旋转滤光盘
• 4.5 传感气室的设计
• 4.5.1 单光路吸收气室
• 4.5.2 多光路吸收气室
• 4.5.3 气室设结构计
• 4.6 光电探测器
• 4.6.1 光电子发射探测器
• 4.6.2 光电导探测器
• 4.6.3 光伏探测器
• 4.7 传感器工作原理
• 4.8 数据处理系统
• 4.9 本章小结
• 第五章 传感器浓度标定与实验
• 5.1 浓度标定方法
• 5.1.1 线性插值法
• 5.1.2 多项式拟合法
• 5.2 浓度标定实验
• 5.3 示值对比试验
• 5.4 稳定度实验
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究生期间发表的学术论文