基于可调谐激光光谱的矿井瓦斯气体传感系统的研究

论文摘要

现有的瓦斯传感器一般只能实现单点检测,检测范围窄,仅提供当前数据。为了解决这些问题,检测区域内瓦斯的平均浓度,提高检测范围,预测未来的瓦斯浓度,本文对开放长光路的可调谐激光光谱瓦斯气体检测技术进行研究,建立瓦斯浓度的检测和预测系统。主要研究内容如下:分析洛仑兹线型下的谐波信号,推导线型函数的谐波表达式,分析谐波与调制幅度的关系,以及各次谐波之间的关系;分析剩余幅度调制和光学干涉对谐波的影响,推导剩余幅度调制和光学干涉引起的背景信号的表达式,并提出相应的抑制方法;改进遥测式瓦斯传感器的光路结构和气体光谱吸收线的扫描方式,设计前置放大电路和CAN总线接口;研究谐波信号的提取方法,研制适用于瓦斯检测的数字锁定放大器,采用自适应小波阈值滤波技术对谐波进一步消噪;分析采用线性函数近似朗伯-比尔表达式产生的问题,提出采用分段线性插值函数予以解决;建立瓦斯浓度的预测模型,给出网络结构、网络参数及隐含层节点数的确定方法;对各模块性能及系统总体性能进行测试。

论文目录

• 提要
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 我国煤矿瓦斯治理存在的问题
• 1.2.1 自然条件及开采过程存在的问题
• 1.2.2 瓦斯气体检测技术存在的问题
• 1.3 光谱吸收瓦斯气体检测技术
• 1.3.1 单波长光谱吸收法
• 1.3.2 差分光谱吸收法
• 1.3.3 窄带光谱吸收法
• 1.3.4 频率调制光谱吸收法
• 1.4 主要研究内容及组织结构
• 第2章 可调谐激光光谱谐波检测技术研究
• 2.1 引言
• 2.2 谐波检测理论
• 2.2.1 波长调制和频率调制
• 2.2.2 谐波检测的原理
• 2.3 线型函数的谐波信号
• 2.3.1 谐波表达式
• 2.3.2 谐波分析
• 2.4 剩余幅度调制
• 2.5 干涉信号
• 2.6 本章小结
• 第3章 光电检测及接口电路设计
• 3.1 引言
• 3.2 系统总体设计
• 3.2.1 瓦斯气体吸收线的选择
• 3.2.2 系统总体结构
• 3.3 半导体激光器的驱动及调制
• 3.3.1 半导体激光器的驱动
• 3.3.2 半导体激光器的调制
• 3.4 光电探测及前置放大电路
• 3.4.1 电路结构
• 3.4.2 前置放大电路设计
• 3.4.3 噪声分析
• 3.5 CAN 总线通信接口
• 3.5.1 监测系统的总体结构
• 3.5.2 用户协议的制定
• 3.5.3 CAN 节点的实现
• 3.5.4 RS232-CAN 协议转换器的实现
• 3.6 本章小结
• 第4章 谐波信号的提取及消噪
• 4.1 引言
• 4.2 谐波信号的提取
• 4.2.1 相关检测的基本原理
• 4.2.2 整周期正交采样法
• 4.2.3 频率偏差的影响
• 4.2.4 谐波信号的相关检测
• 4.3 数字锁定放大器设计
• 4.3.1 总体结构
• 4.3.2 调制信号产生电路
• 4.3.3 程控放大电路
• 4.3.4 滤波电路
• 4.3.5 数据采集电路
• 4.4 谐波信号的消噪
• 4.4.1 消噪的原理
• 4.4.2 消噪的方法
• 4.4.3 消噪的过程
• 4.5 谐波信号提取及消噪的性能测试
• 4.5.1 调制信号产生电路的性能测试
• 4.5.2 滤波电路的性能测试
• 4.5.3 数据采集电路的性能测试
• 4.5.4 锁定放大器的总体性能测试
• 4.5.5 消噪的性能测试
• 4.6 本章小结
• 第5章 谐波信号处理及系统总体性能测试
• 5.1 引言
• 5.2 谐波信号处理
• 5.2.1 谐波比值检测方法
• 5.2.2 线性近似产生的问题
• 5.2.3 分段线性插值方法
• 5.2.4 比例系数的标定
• 5.3 测试条件
• 5.4 精度、线性度及量程测试
• 5.5 重复性测试
• 5.6 检出限测试
• 5.7 本章小结
• 第6章 基于BP 神经网络的瓦斯浓度预测
• 6.1 引言
• 6.2 BP 神经网络的基本结构
• 6.3 瓦斯浓度预测模型的建立
• 6.3.1 网络结构
• 6.3.2 传递函数
• 6.3.3 权值初始值
• 6.3.4 期望误差
• 6.4 瓦斯浓度预测模型的训练
• 6.4.1 训练数据的准备
• 6.4.2 训练方法及过程
• 6.5 训练结果及性能测试
• 6.6 本章小结
• 第7章 全文总结
• 7.1 研究工作总结
• 7.2 创新性工作
• 7.3 主要不足及进一步工作建议
• 参考文献
• 攻博期间发表的学术论文
• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢