双波长光纤甲烷传感系统的研究

【摘要】：在我国煤炭行业日趋规模化的背景下,煤矿安全生产关系到国民经济的稳定可持续发展。煤矿安全问题集中体现在瓦斯灾害上,它已成为制约煤矿安全生产的主要矛盾。我国煤矿安全事故不时发生,尤其是重大瓦斯爆炸事故,极大地威胁了井下矿工的生命安全,同时也造成重大的社会经济损失。对煤矿安全生产进行有效监管,很大程度上可预防瓦斯事故的发生。 本文在分析国内外煤矿瓦斯检测技术以及传统煤矿瓦斯检测系统的基础上,构建了一种基于双波长技术的光纤甲烷传感系统,采用双波长技术与激光吸收光谱技术相结合的方法对煤矿瓦斯进行监测,同时利用光纤特点使整个系统在探测灵敏度、安全性、抗干扰强度等方面有很大改善。 论文首先研究和分析了双波长选取方法,并将几种波长选取的方法进行比较,根据实际情况最终选取系数倍率法；其次介绍了双波长光纤气体传感系统的测量原理,它是在目前激光吸收光谱测量原理的基础上,采用双波长测量技术以消除由光源和气室造成的干扰,使得系统精确度得到较大提高；最后通过实验对系统进行性能测试、对比性测试和稳定性测试以验证系统的可行性。 实验结果表明,双波长光纤甲烷传感系统可以实现对煤矿瓦斯浓度进行在线、实时、快速的监测。实验得出的数据可实时记录瓦斯浓度,检测信号强度以及相关性系数等,所有数据都能实时调出并可对其保存。此外,当检测值超过报警限时,系统会发出报警信号。基于双波长的光纤甲烷传感技术的系统研究具有十分重要的意义,因此该系统在煤矿瓦斯监测中的推广具有广阔的应用前景。 [注：本课题来源于国家自然科学基金资助(50574005)；安徽省自然科学基金项目(11040606M103)；安徽高校省级自然科学研究重点资助项目(KJ2011 A0973)] 图[56]表[5]参[60] 【关键词】：甲烷 双波长 吸收光谱 传感器
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TD712.55;TP212.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-18
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 国内外研究动态13-16
• 1.3 课题研究的目的及意义16
• 1.4 本论文的主要工作16-18
• 2 双波长测量及波长选取技术18-32
• 2.1 双波长测量技术18-20
• 2.1.1 双波长测量技术的发展及应用18-19
• 2.1.2 双波长测量技术的特点19-20
• 2.2 双波长测量中波长的选取技术20-30
• 2.2.1 等吸收法21-23
• 2.2.2 系数倍率法23-26
• 2.2.3 补偿计算法26-28
• 2.2.4 用计算机选取双波长28-30
• 2.3 本章小节30-32
• 3 双波长光纤甲烷气体传感系统的测量技术32-46
• 3.1 光谱学基本理论32-38
• 3.1.1 光的自发和受激发射32-33
• 3.1.2 光吸收的电磁理论33-34
• 3.1.3 光谱线的线形和宽度34-38
• 3.2 甲烷在近红外的吸收光谱38-41
• 3.2.1 甲烷分子的运动形式38-39
• 3.2.2 甲烷气体分子的吸收谱线39-41
• 3.3 波长光纤气体传感系统的测量原理41-44
• 3.3.1 激光吸收光谱原理41-42
• 3.3.2 双波长光纤甲烷传感系统的检测原理42-44
• 3.4 本章小结44-46
• 4 双波长光纤气体传感系统设计46-60
• 4.1 光纤传感系统框图46
• 4.2 激光器46-51
• 4.2.1 半导体激光器47-48
• 4.2.2 半导体发光二极管48-49
• 4.2.3 半导体分布反馈激光器49-51
• 4.3 单色器51-52
• 4.4 斩光器52
• 4.5 吸收池52-54
• 4.6 接收装置54-58
• 4.6.1 PIN型光电探测器55
• 4.6.2 光敏电阻55-56
• 4.6.3 电荷耦合器56
• 4.6.4 硅光电二极管阵列56
• 4.6.5 光电倍增管56-58
• 4.7 本章小结58-60
• 5 双波长光纤甲烷传感系统的实验研究及实现60-74
• 5.1 实验系统构建60-61
• 5.2 系统软件设计61-74
• 5.2.1 软件使用方法61-66
• 5.2.2 参数设置66-74
• 6 实验结果与分析74-84
• 6.1 系统性能测试74-82
• 6.2 对比测试82
• 6.3 稳定性测试82-84
• 7 结论与展望84-86
• 7.1 结论84
• 7.2 展望84-86
• 参考文献86-90
• 致谢90-92
• 作者简介92

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