基于横向剪切干涉系统的甲烷气体浓度检测的研究

【摘要】：在我国，由于井下瓦斯监测系统相对不完善，每年因井下瓦斯爆炸导致的安全事故非常多，造成的死亡人数几乎占所有矿难的一半以上；在许多天然气输送管道线路中，由于天然气泄漏造成的经济损失也是天然气供气过程中一个重要的问题；日常生活中，由于燃气泄漏爆炸导致的人员伤亡也时有发生。瓦斯、天然气等是多种气体的通称，其主要成分为甲烷(CH4)。传统的检测甲烷气体浓度设备常常难以同时满足精度高、响应快、稳定性好等要求，所以研究对甲烷气体浓度快速、准确的检测技术十分重要。针对这种迫切需要，本文提出了一种新型横向剪切光路结构，并基于此设计了新型横向剪切干涉系统，将之应用于甲烷气体浓度的检测。 论文介绍了甲烷气体浓度检测的主要方法、国内外在该领域的研究现状、红外光谱吸收测量法的基本理论和基本概念。利用光谱分析法具有高精度分析、无中毒检测、实时响应的特点，设计了一种基于新型横向剪切光路结构的干涉系统，研究了基于新型横向剪切干涉系统的光程差分布函数及剪切型干涉条纹的产生机理，基于离散傅里叶变换得到的频谱数据特征，进行了光谱分析算法设计，并开发了与之对应的甲烷气体浓度分析软件。 系统由特征气体对应的红外激光光源、准直扩束镜、气体探测气室、双角镜结构、CCD探测器、信号处理器和可视化编程平台等构成。为了使光学干涉系统工作稳定，可以良好地应用于户外复杂环境，系统采用双角镜光路同向保护的方式，同时采用连杆互补消震动设计，很好地克服了户外工作条件下震动对光学系统干涉条纹成像的影响。双角镜设计使光路稳定，当干扰使光路发生偏移时，光路仅产生同方向上的位移偏移，并且进行相干的两束光都产生偏移，不会造成不均匀的误差。连杆结构设计使分束镜在受震动影响时产生联动效果，这样由1镜引入的误差会以大小相等、方向相反的形式由2镜抵消掉，从理论上完全的消除了震动产生的干扰。此种设计大大提高了光学系统的稳定性，并且不影响干涉系统的光通量和光程差扫描范围。 为了保证该种结构的高光谱分辨率、高光通量的特性，研究了新型横向剪切干涉系统产生干涉条纹的基本原理特性，分析了采用分光镜正向、逆向旋转获得光程差的极限范围。计算了通过连杆结构产生的光程差互补效果，以相干技术、傅里叶光学、光电探测为基础，使用新型横向剪切干涉系统，在保持原有光学特点的基础上，通过圆形轨迹扫描代替传统的线性轨迹扫描，实现了连杆消除震动干扰的设计思想。系统虽有机械扫描结构，但由于该设计结构的补偿效果，避免了最容易对光学系统产生干扰的震动干扰的问题。最终的数据由CCD探测器采集，经处理器实现气体浓度的计算输出。 在设计了横向剪切干涉系统结构的基础上，采用可视化平台开发了相应的光谱分布函数分析算法及软件。对主成分分析法、遗传算法、最小二乘法、BP人工神经网络分析法、粗糙集法、支持向量机分析法等多种光谱分析处理算法综合比较和分析，结合检测气体浓度的特点要求，系统采用支持向量机分析法完成了对特征波长、光谱分布函数的求解及对甲烷气体浓度的计算分析，并采用Microsoft Visual Studio平台实现了数据输入、傅里叶变换、光谱标定、甲烷气体浓度分析等功能的实现及显示。 实验采用室内无震动环境和户外环境分别对激光光谱分布函数进行测试，分析干涉系统的稳定性和精确度，实验结果表明，在实验室条件下，由于干扰几乎不存在，两种干涉系统的光谱分析能力接近，但当传统干涉系统应用于户外时，干涉条纹反演得到的光谱分布函数发生了比较明显的变形和偏移，而基于新型横向剪切干涉系统获取的光谱分布函数基本没有变化，说明该系统具有良好的稳定性。还分别在实验室内和户外完成了针对甲烷气体浓度的检测实验。实验显示，采用室内应用的光谱分析设备与本系统对比可知，在户外有干扰的情况下，本系统的检测稳定性要高很多。 【关键词】：剪切干涉系统 光谱分辨力 支持向量机 甲烷气体浓度 可视化编程平台
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TN247;TN219
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 1 绪论13-35
• 1.1 选题的目的、意义和背景13-15
• 1.2 国内外研究现状15-33
• 1.2.1 甲烷气体浓度的检测方法15-20
• 1.2.2 红外光谱吸收测量法研究现状20-22
• 1.2.3 相干技术的研究现状22-33
• 1.3 本文的主要工作33-35
• 2 系统设计的理论基础35-65
• 2.1 光的基本特性35-37
• 2.2 光的辐射与吸收理论37-43
• 2.2.1 光的辐射原理37-41
• 2.2.2 光的吸收原理41-42
• 2.2.3 Beer Lambert定理42-43
• 2.3 光的干涉原理43-50
• 2.3.1 单色光的干涉44-46
• 2.3.2 干涉衬比度46-47
• 2.3.3 非单色光的干涉47-50
• 2.4 激光的形成与调制50-56
• 2.5 光场的相干性56-62
• 2.5.1 光场的时间相干性56-58
• 2.5.2 光场的空间相干性58-59
• 2.5.3 光场的相干性的数学表达59-62
• 2.6 傅里叶反演理论62-65
• 3 新型横向剪切型干涉系统的主要光路设计65-80
• 3.1 横向剪切干涉原理65-66
• 3.2 新型横向剪切干涉光路结构设计66-67
• 3.3 横向剪切干涉光路能量计算67-69
• 3.4 新型横向剪切干涉光路元器件参数确定69-76
• 3.4.1 角镜的形状与参数确定69-71
• 3.4.2 平行分束镜与反射镜的位置确定71-73
• 3.4.3 最大正向旋转角度的确定73-74
• 3.4.4 最大逆向旋转角度的确定74-76
• 3.5 横向剪切干涉光路的性能评价76-80
• 3.5.1 抗震性和稳定性76-77
• 3.5.2 分辨率77-80
• 4 光谱分析的算法研究80-95
• 4.1 光谱分析技术80-82
• 4.1.1 气体浓度定量分析80-81
• 4.1.2 光谱分析的技术特点81-82
• 4.2 常用光谱分析算法82-94
• 4.2.1 主成分分析法82-84
• 4.2.2 偏最小二乘法84-85
• 4.2.3 遗传算法85-88
• 4.2.4 BP人工神经网络88-91
• 4.2.5 粗糙集分析法91-92
• 4.2.6 支持向量机法92-94
• 4.3 算法的选择与设计94-95
• 5 新型横向剪切干涉系统的甲烷气体浓度分析软件95-112
• 5.1 可视化软件设计平台95-96
• 5.2 C SHARP 语言96-97
• 5.3 气体浓度分析软件97-112
• 5.3.1 数据输入窗口设计98-101
• 5.3.2 快速 FFT 算法101-107
• 5.3.3 类定义编程107-109
• 5.3.4 主窗口界面设计109-112
• 6 新型横向剪切干涉系统总体设计112-121
• 6.1 光源部分112-113
• 6.2 准直扩束系统113-114
• 6.3 气室114-117
• 6.4 干涉系统117-118
• 6.5 信息采集系统118-119
• 6.6 信号处理系统119-121
• 7 系统整体联调实验及结果分析121-139
• 7.1 激光器的选择121-124
• 7.1.1 激光器的种类及特点121-122
• 7.1.2 激光器选型122-124
• 7.2 准直扩束系统的透镜选择124-125
• 7.3 光学镀膜选择125-126
• 7.4 CCD 探测器的选择126-130
• 7.4.1 主要性能参数126-127
• 7.4.2 主要技术指标127-128
• 7.4.3 CCD 选型128-130
• 7.5 实验及结果分析130-139
• 7.5.1 系统组装与性能测试设计130
• 7.5.2 系统的抗震性实验130-133
• 7.5.3 系统的抗干扰实验133-136
• 7.5.4 系统的去噪滤波性能实验136-139
• 总结与展望139-141
• 参考文献141-150
• 攻读博士期间发表的论文150-151
• 致谢151

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