基于相关光谱法的差分光纤甲烷传感系统设计

【摘要】： 近年来,我国煤矿事故频繁发生,且以瓦斯爆炸为主,给矿工的生命和国家财产安全已造成严重威胁。甲烷是瓦斯的主要成分,及时准确地检测甲烷浓度对工矿安全生产和环境监测有着极其重要的意义。光纤气体传感技术是一项正在发展中的高精度测试技术。论文以气体浓度检测为目的,进行基于相关光谱的差分甲烷光纤检测系统的研究。论文的主要工作如下: 首先,论述了近红外吸收型光纤气体传感器的国内外研究现状和发展趋势,介绍了光纤气体传感中的基本检测技术。通过对分子光谱理论的分析,给出气体吸收测量的理论基础,为传感器数学模型的建立奠定理论基础。 其次,设计了两种简单的单波长差分吸收检测系统,并且详细分析了两种差分吸收系统的优缺点。在对两种差分吸收系统理论推导和参数分析的基础上,进行了改进,利用了相关光谱的优点设计出一种新的基于相关光谱的差分甲烷光纤检测系统。 最后,阐述了甲烷检测系统中光源、气室、光电探测器以及光路部分和电信号检测部分的特性及对测量的影响;在现有的实验条件下,对光源光谱特性、甲烷近红外吸收特性、检测信号和气体浓度的关系以及系统的重复性和稳定性进行了实验研究,给出了实验结果,验证了检测系统的可行性。 【关键词】：近红外吸收 差分吸收系统 相关光谱 锁相放大技术 参考光路 测量光路
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TP212.14
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 课题研究的背景与意义10
• 1.2 气体检测方法概述10-11
• 1.3 光纤气体传感检测技术11-18
• 1.3.1 光谱吸收型光纤气体传感检测技术11-12
• 1.3.1.1 单波长光谱吸收检测技术11-12
• 1.3.2 光谱吸收型差分检测技术12-14
• 1.3.2.1 宽带光源差分吸收检测技术12-13
• 1.3.2.2 窄带光源的差分吸收检测技术13-14
• 1.3.3 光谱吸收型谐波检测技术14-17
• 1.3.3.1 窄带光源谐波检测技术15-16
• 1.3.3.2 宽带光源谐波检测技术16-17
• 1.3.4 光腔衰荡光谱技术和有源腔气体检测技术17-18
• 1.4 光纤气体传感器国内外研究现状18-20
• 1.5 课题研究的目的和意义20-21
• 1.6 论文的主要研究内容21-22
• 第2章 光纤气体检测机理22-32
• 2.1 引言22
• 2.2 气体分子光谱理论22-28
• 2.2.1 分子的运动形式及能级结构22-23
• 2.2.2 多原子分子的跃迁能级结构及其光谱23-24
• 2.2.3 气体分子吸收线形与展宽24-28
• 2.3 甲烷气体分子的近红外选择吸收28-30
• 2.4 基于近红外吸收机理的光纤气体检测原理30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第3章 新方案的设计分析及其选择32-40
• 3.1 引言32
• 3.2 单波长差分检测的基本原理32-34
• 3.3 光纤传感系统设计框图及其设计方案34-39
• 3.4 本章小结39-40
• 第4章 光纤传感系统主要部件选择与性能分析40-54
• 4.1 引言40
• 4.2 检测系统的总体结构40
• 4.3 光纤传感光源分析与选择40-45
• 4.3.1 超窄线宽光纤激光器41-42
• 4.3.2 分布反馈式半导体激光器（DFB LD）42-44
• 4.3.3 发光二极管(LED)44-45
• 4.3.4 光源的选择45
• 4.4 气室的结构选择与分析45-46
• 4.5 光路与光纤耦合部分46-47
• 4.6 光电转换与信号处理部分47-53
• 4.6.1 光电转换部分47-50
• 4.6.2 信号的检测与处理部分50-53
• 4.7 本章小结53-54
• 第5章 甲烷气体检测的实验研究54-66
• 5.1 引言54
• 5.2 光源的光谱特性实验54-56
• 5.3 甲烷的吸收谱实验56-61
• 5.4 相关光谱法差分光纤系统检测甲烷浓度实验61-63
• 5.5 检测系统的干扰气体实验、重复性和稳定性实验63-65
• 5.5.1 重复性实验64-65
• 5.5.2 稳定性实验65
• 5.6 本章小结65-66
• 结论66-68
• 参考文献68-73
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果73-74
• 致谢74-75
• 作者简介75

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