多点光纤甲烷浓度监测系统的研究与开发

【摘要】： 在煤矿生产中,随着煤层采动,往往会涌出矿井瓦斯。它与空气混合,当其体积百分比为3.5%～16%时,遇明火就会发生爆炸,给矿井的安全生产带来巨大的威胁。因此,对瓦斯进行实时监控在矿井通风系统中显得非常重要,要实现瓦斯监控的自动化、智能化,高性能的传感器是不可缺少的条件。 光纤气体传感技术是一项正在发展中的新型高新技术,以其特有的优良性能在工业生产、环境监测和医学等领域具有广阔的应用前景。近些年来,随着光纤传感技术的发展,光纤气体传感器的研究在国内外均受到广泛的重视。光纤气体传感器以光为测量信号的载体,对被测对象不产生影响,其自身独立性好,可适应各种使用环境,由其组成的光纤传感系统便于与中心计算机连接,可实现多功能、智能化的要求,可与光纤遥测技术相配合实现远距离测量与控制。 根据我国煤矿中存在的问题,本文在分析煤矿监测系统的发展趋势、可靠性及其特点的基础上,提出一种以数字信号处理器为核心,以控制局域网现场总线为各现场设备之间的通信网络,监控模块与计算机之间采用调制解调器通过电话线相连接组成串行远程通信网络的解决方案。以甲烷为目标气体,研究了基于近红外光谱吸收方法的全光纤传感器。以SLED作光源,以宽带光源差分吸收、谐波检测方法为理论基础,结合以锁相放大器为核心的微弱信号检测电路实现对甲烷气体的浓度测。 根据实验室现有的实验条件和仪器设备,对所设计系统的进行实验研究,实验结果验证了系统的可行性。 【关键词】：甲烷 谐波检测 近红外吸收光谱 数字信号处理器 现场总线
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TP274
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-7
• 致谢7-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 引言12
• 1.2 气体传感器的发展与现状12-20
• 1.2.1 气体传感的研究现状12-13
• 1.2.2 光纤气体传感技术13-15
• 1.2.3 光纤气体传感器的分类15-18
• 1.2.4 吸收式光纤气体传感器的发展18-20
• 1.3 课题研究的目的和意义20-21
• 1.4 课题的来源及主要内容21-22
• 第二章 吸收式光纤甲烷浓度检测技术22-35
• 2.1 光谱吸收型光纤气体检测原理22-25
• 2.1.1 气体分子近红外选择吸收22-23
• 2.1.2 甲烷吸收谱线选择23-25
• 2.2 光谱吸收型气体检测方法25-33
• 2.2.1 差分检测方法25-27
• 2.2.2 谐波检测方法27-33
• 2.2.3 方案选择33
• 2.3 本章小结33-35
• 第三章 系统硬件设计35-51
• 3.1 系统网络功能及组成35-39
• 3.1.1 甲烷光纤监测网络系统功能35
• 3.1.2 甲烷光纤监测网络系统组成35-37
• 3.1.3 网络通讯方案37-39
• 3.2 光纤传感器部分设计39-44
• 3.2.1 甲烷多点传感结构设计39-40
• 3.2.2 光源的选择及控制电路40-43
• 3.2.3 探头设计43-44
• 3.3 监测单元设计44-47
• 3.3.1 监测单元及其外围电路组成44-45
• 3.3.2 监测单元串行接口电路45-46
• 3.3.3 监测单元 CAN总线设计46-47
• 3.4 监测点硬件电路47-50
• 3.4.1 步进电机驱动电路47-48
• 3.4.2 锁相放大器48-49
• 3.4.3 数据采焦49-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第四章 系统软件设计51-61
• 4.1 系统软件设计方案51
• 4.2 监测计算机软件设计51-53
• 4.2.1 监测计算机软件功能51-52
• 4.2.2 监测计算机程序设计52
• 4.2.3 MODEM的软件控制52-53
• 4.3 监测单元软件设计53-58
• 4.3.1 监测单元软件功能53
• 4.3.2 监测单元主程序设计53-54
• 4.3.3 监测单元通信软件设计54-56
• 4.3.4 监测单元 CAN总线通信设计56-57
• 4.3.5 监测单元数据处理软件设计57-58
• 4.4 监测点软件设计58-60
• 4.4.1 监测点数据采集程序设计58
• 4.4.2 数据采集处理子系统间的数据交换58-59
• 4.4.3 锁相放大器的远程控制59-60
• 4.5 本章小结60-61
• 第五章 系统实验和分析61-66
• 5.1 系统所需主要元器件参数61-62
• 5.2 光纤链路损耗实验62-63
• 5.3 甲烷气体吸收实验63-64
• 5.4 示值对比实验64-65
• 5.5 重复性实验65
• 5.6 误差分析65
• 5.7 本章小结65-66
• 结论66-68
• 参考文献68-70

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