基于光谱吸收的光纤式有害气体测量技术的研究

论文摘要

随着石油、天然气工业以及煤炭工业的发展,煤矿爆炸事故日益增加。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国,也是世界上少数以煤为主要能源的国家之一。在煤炭的生产、加工过程中产生的大量甲烷(CH4)及一氧化碳(CO)等易燃易爆气体,带来了煤矿安全、环境污染等一系列的问题。因此,对煤矿生产、加工过程中产生的有害气体进行高灵敏度检测变得十分重要。通信技术的发展使得光源及各种光纤器件性能更加完善。因此,在各种气体传感器中光纤气体传感器受到国内外研究者的广泛关注。光纤气体传感器因其敏感元件与检测电路和信号处理电路实现了完全的电隔离,使系统更加安全可靠。本文以煤矿井下主要有害气体甲烷(CH4)和一氧化碳(CO)为检测目标气体,进行基于光谱吸收的全光纤传感系统的理论和实验研究。研究的主要工作如下:(1)应用气体分子光谱理论和实验,研究甲烷分子及一氧化碳分子的近红外光谱吸收特性,选择吸收波长,消除交叉敏感。(2)研究基于光谱吸收理论的气体传感技术,抑制检测信号中与气体浓度无关的各种干扰成份,提高系统的检测灵敏度。(3)基于光纤布拉格光栅的窄带滤波特性,设计了以光纤布拉格光栅为滤光元件的差分吸收系统和谐波检测系统。(4)利用光纤布拉格光栅作为光学滤波器,设计CH4和CO两种气体在线监测系统,进行光学传感气室的设计与研制。研究光源和光探测器的光电特性,研究分析光纤与光源、光探测器与光纤以及光纤与气室之间高效耦合技术。(5)研究微弱光信号的检测技术,设计具有较高信噪比的光电微弱信号检测电路。(6)对系统进行实验与结果分析。包括光源特性、探测器特性及系统对CH4和CO气体的吸收实验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究目的和意义
• 1.2 气体传感器研究概况
• 1.3 光纤气体传感器
• 1.4 课题来源及主要研究内容
• 第2章 光谱吸收型气体传感器理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 气体分子的选择吸收特性
• 2.3 双原子分子振动转动光谱与CO 的精细谱结构
• 2.4 多原子分子振动转动光谱与CH4 的精细谱结构
• 2.5 气体分子吸收线形和线宽分析
• 2.6 气体吸收谱线的强度分布
• 2.7 本章小结
• 第3章 光谱吸收型光纤气体传感技术研究
• 3.1 单波长光谱吸收型气体传感器
• 3.2 光谱吸收型差分检测技术
• 3.3 光源频率调制和谐波检测
• 3.4 光纤光栅实现气体高灵敏度检测技术的研究
• 3.5 本章小结
• 4和CO 传感系统设计及关键技术'>第4章 CH₄和CO 传感系统设计及关键技术
• 4.1 引言
• 4 和CO 传感系统设计'>4.2 CH₄ 和CO 传感系统设计
• 4.3 系统光源及其特性
• 4.4 系统光电探测器及其特性
• 4.5 光纤光栅参数
• 4.6 光纤损耗特性
• 4.7 传感气室的设计
• 4.8 光纤与光源及探测器之间的耦合技术
• 4.9 本章小结
• 第5章 微弱光电信号处理技术的研究
• 5.1 引言
• 5.2 信号的相关检测
• 5.3 微弱信号的锁定检测
• 5.4 模拟信号的量化
• 5.5 单片机处理系统
• 5.6 本章小结
• 第6章 光纤气体传感系统实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 SLED 光源特性测试
• 6.3 光电探测器光谱响应度测试
• 6.4 气体吸收实验
• 6.5 系统标定实验
• 6.6 重复性实验
• 6.7 系统的灵敏度分析
• 6.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介