数字化光纤气体检测系统方案研究

论文摘要

瓦斯爆炸是影响煤矿生产安全的重大威胁之一,对主要成分为甲烷的瓦斯气体进行快速、实时监测具有重要意义。光谱吸收式气体传感器可采用全光纤探头,安全可靠性高,可用于易燃易爆气体的检测。光谱吸收式气体传感器具有精度高,响应速度快,非接触式在线监测等优点,在煤矿瓦斯气体监测、环境气体监测方面有广泛的应用前景。本文以甲烷为目标气体,对数字化光纤气体检测方案进行研究。论文首先对甲烷气体的吸收谱线进行分析,阐述了光谱吸收式气体传感器的基本原理。然后对可调谐二极管激光器吸收光谱学(TDLAS)的原理进行深入分析,利用傅立叶级数分解理论对气体吸收信号进行理论分析,通过理论分析与仿真实验分析验证利用一次谐波信号检测气体浓度方案的可行性,并以此方案为核心设计了数字化光纤气体检测系统框架。论文重点研究了数字锁定放大算法,及气体检测的环境温度校正方案。为避免模拟器件直流漂移对气体浓度检测的影响,针对气体吸收信号模型设计正交数字锁定放大算法,在避免引入直流漂移的同时不需要测量激光器频率调制与强度调制之间的相位差而提高检测到的谐波信号幅值,进而提高系统检测精度。同时本文分析了环境温度对气体吸收的影响,通过理论分析与仿真实验建立环境温度校正方案,抑制了由于环境温度变化对气体浓度检测的影响。并利用MATLAB软件对气体检测系统进行仿真实验,证明了理论分析的正确性和方案的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 光谱吸收式光纤气体传感技术概述
• 1.2 光谱吸收式气体传感器的研究现状
• 1.2.1 光谱吸收型光纤气体传感器的国外研究动态
• 1.2.2 光谱吸收型光纤气体传感器的国内研究动态
• 1.3 课题的研究意义及主要研究内容
• 第2章 可调谐二极管激光器吸收光谱学技术原理
• 2.1 光谱吸收式气体传感器理论基础
• 2.1.1 气体分子的选择性吸收
• 2.1.2 甲烷气体吸收谱线及其选择
• 2.1.3 比尔—朗伯定律
• 2.2 光谱吸收式气体传感器检测方法
• 2.3 波长调制模型的理论分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 数字化光纤气体检测方案设计
• 3.1 直流漂移对气体浓度检测的影响
• 3.2 数字化光纤气体检测系统的结构
• 3.3 锁定放大器的工作原理
• 3.4 正交矢量锁定型放大器
• 3.5 数字锁定放大器
• 3.6 正交数字锁定放大方案及仿真分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 数字化光纤气体检测方案研究与分析
• 4.1 数字化光纤气体检测系统设计
• 4.2 仿真分析
• 4.2.1 气体吸收信号谐波检测方案可行性仿真分析
• 4.2.2 数字化气体检测系统仿真分析
• 4.3 光源中心波长漂移的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 气体浓度测量的温度校正方案
• 5.1 温度对气体吸收的影响
• 5.2 温度对谱线强度的影响
• 5.3 温度对吸收线半宽的影响
• 5.4 温度对气体分子密度的影响
• 5.5 温度对气体吸收系数的影响
• 5.6 温度波动对气体浓度检测的影响
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢