光纤甲烷气体浓度检测系统的设计与实现

论文摘要

近年来煤矿瓦斯爆炸事件频发,给国家和个人财产带来严重的危害,因而对矿井进行实时的甲烷浓度检测就显得至关重要。目前,常采用催化燃烧式气体传感器进行甲烷检测,但是这种传感器寿命短,需要经常进行零点和灵敏度的校正,使用很不方便,也不安全。随着近年来光纤技术的发展,基于光谱吸收式光纤气体传感器由于具有灵敏度高、受外界环境影响小、响应速度快、组网方便等优点,而备受人们的关注。本系统采用光谱吸收式差分检测原理,光源发出的光经过包络滤波片、气室、梳状滤波片后,分离出参考光和信号光,然后采用探测器对两路信号光进行同时检测,最后经过数据采集处理得出甲烷气体的浓度。本文对光源、传感头、探测器、滤波片以及数据采集和处理等模块进行分析和选择。根据差分检测原理完成了光电信号检测电路的设计开发,利用PIN光电二极管将光信号转化为电信号,同时采用二级放大电路,其中一级放大为直流放大电路,二级为电压放大电路,实现了对微弱电信号的放大处理,达到了电路的设计要求。根据实验数据以及结论分析,本系统在低浓度可以实现高精度的测量,在浓度低于1%时误差小于0.1%,浓度在1%-4%时,误差小于0.3%,并且有很好的稳定性和灵敏度,基本达到了实验的要求。当然,系统仍有不足之处,还需进一步的测试和改进。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 气体检测常用方法介绍
• 1.3 光纤气体传感器
• 1.4 光谱吸收型光纤气体传感器发展现状
• 1.5 课题来源及本论文主要研究内容
• 2 光纤甲烷气体传感器基本原理
• 2.1 甲烷的近红外光谱吸收原理
• 2.2 谐波检测法
• 2.3 差分吸收检测
• 2.4 系统检测方案的确定
• 2.5 本章小结
• 3 红外甲烷浓度检测系统的结构设计
• 3.1 系统的整体结构框架
• 3.2 气室及传感器结构设计
• 3.3 光源的选取
• 3.4 光源驱动及温控
• 3.5 滤波片的设计
• 3.6 光电信号检测电路
• 3.7 甲烷远端声光报警装置
• 3.8 本章小结
• 4 光电信号检测电路
• 4.1 光电信号检测电路的设计需求
• 4.2 电流输入前置放大器
• 4.3 光电二极管的原理
• 4.4 光电探测器的特性参数
• 4.5 光电探测器的选取
• 4.6 弱信号检测放大电路
• 4.7 数据采集
• 4.8 本章小结
• 5 甲烷传感报警系统实验结果分析
• 5.1 甲烷气体光谱吸收图
• 5.2 滤波片测试实验
• 5.3 系统损耗测试
• 5.4 探测器线性度测试
• 5.5 电压信号处理
• 5.6 系统的插值测试法
• 5.7 示值对比测试实验
• 5.8 重复对比测试
• 5.9 系统的灵敏度
• 5.10 系统的分辨率
• 5.11 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献