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基于可调谐激光光谱的矿井瓦斯气体传感系统的研究

作　者: 邓广福
导　师: 刘光达
学　校: 吉林大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 瓦斯浓度检测谐波检测信号提取分段线性插值浓度预测
分类号: TP274.4
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
下　载: 630次
引　用: 3次
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内容摘要

现有的瓦斯传感器一般只能实现单点检测,检测范围窄,仅提供当前数据。为了解决这些问题,检测区域内瓦斯的平均浓度,提高检测范围,预测未来的瓦斯浓度,本文对开放长光路的可调谐激光光谱瓦斯气体检测技术进行研究,建立瓦斯浓度的检测和预测系统。主要研究内容如下:分析洛仑兹线型下的谐波信号,推导线型函数的谐波表达式,分析谐波与调制幅度的关系,以及各次谐波之间的关系;分析剩余幅度调制和光学干涉对谐波的影响,推导剩余幅度调制和光学干涉引起的背景信号的表达式,并提出相应的抑制方法;改进遥测式瓦斯传感器的光路结构和气体光谱吸收线的扫描方式,设计前置放大电路和CAN总线接口;研究谐波信号的提取方法,研制适用于瓦斯检测的数字锁定放大器,采用自适应小波阈值滤波技术对谐波进一步消噪;分析采用线性函数近似朗伯-比尔表达式产生的问题,提出采用分段线性插值函数予以解决;建立瓦斯浓度的预测模型,给出网络结构、网络参数及隐含层节点数的确定方法;对各模块性能及系统总体性能进行测试。

全文目录

提要  4-9
第1章绪论  9-19
  1.1 研究背景及意义  9-10
  1.2 我国煤矿瓦斯治理存在的问题  10-11
    1.2.1 自然条件及开采过程存在的问题  10
    1.2.2 瓦斯气体检测技术存在的问题  10-11
  1.3 光谱吸收瓦斯气体检测技术  11-16
    1.3.1 单波长光谱吸收法  11-12
    1.3.2 差分光谱吸收法  12-13
    1.3.3 窄带光谱吸收法  13-15
    1.3.4 频率调制光谱吸收法  15-16
  1.4 主要研究内容及组织结构  16-19
第2章可调谐激光光谱谐波检测技术研究  19-31
  2.1 引言  19-20
  2.2 谐波检测理论  20-21
    2.2.1 波长调制和频率调制  20
    2.2.2 谐波检测的原理  20-21
  2.3 线型函数的谐波信号  21-25
    2.3.1 谐波表达式  21-23
    2.3.2 谐波分析  23-25
  2.4 剩余幅度调制  25-28
  2.5 干涉信号  28-30
  2.6 本章小结  30-31
第3章光电检测及接口电路设计  31-49
  3.1 引言  31-32
  3.2 系统总体设计  32-34
    3.2.1 瓦斯气体吸收线的选择  32-33
    3.2.2 系统总体结构  33-34
  3.3 半导体激光器的驱动及调制  34-37
    3.3.1 半导体激光器的驱动  35-36
    3.3.2 半导体激光器的调制  36-37
  3.4 光电探测及前置放大电路  37-41
    3.4.1 电路结构  37-39
    3.4.2 前置放大电路设计  39-40
    3.4.3 噪声分析  40-41
  3.5 CAN 总线通信接口  41-47
    3.5.1 监测系统的总体结构  42
    3.5.2 用户协议的制定  42-44
    3.5.3 CAN 节点的实现  44-45
    3.5.4 RS232-CAN 协议转换器的实现  45-47
  3.6 本章小结  47-49
第4章谐波信号的提取及消噪  49-81
  4.1 引言  49-50
  4.2 谐波信号的提取  50-55
    4.2.1 相关检测的基本原理  50-51
    4.2.2 整周期正交采样法  51-52
    4.2.3 频率偏差的影响  52-53
    4.2.4 谐波信号的相关检测  53-55
  4.3 数字锁定放大器设计  55-61
    4.3.1 总体结构  55
    4.3.2 调制信号产生电路  55-57
    4.3.3 程控放大电路  57-58
    4.3.4 滤波电路  58-60
    4.3.5 数据采集电路  60-61
  4.4 谐波信号的消噪  61-67
    4.4.1 消噪的原理  61-63
    4.4.2 消噪的方法  63-64
    4.4.3 消噪的过程  64-67
  4.5 谐波信号提取及消噪的性能测试  67-79
    4.5.1 调制信号产生电路的性能测试  67-68
    4.5.2 滤波电路的性能测试  68-71
    4.5.3 数据采集电路的性能测试  71-72
    4.5.4 锁定放大器的总体性能测试  72-74
    4.5.5 消噪的性能测试  74-79
  4.6 本章小结  79-81
第5章谐波信号处理及系统总体性能测试  81-105
  5.1 引言  81
  5.2 谐波信号处理  81-91
    5.2.1 谐波比值检测方法  81-84
    5.2.2 线性近似产生的问题  84-86
    5.2.3 分段线性插值方法  86-88
    5.2.4 比例系数的标定  88-91
  5.3 测试条件  91-92
  5.4 精度、线性度及量程测试  92-98
  5.5 重复性测试  98-99
  5.6 检出限测试  99-103
  5.7 本章小结  103-105
第6章基于BP 神经网络的瓦斯浓度预测  105-121
  6.1 引言  105-106
  6.2 BP 神经网络的基本结构  106-107
  6.3 瓦斯浓度预测模型的建立  107-110
    6.3.1 网络结构  107-110
    6.3.2 传递函数  110
    6.3.3 权值初始值  110
    6.3.4 期望误差  110
  6.4 瓦斯浓度预测模型的训练  110-116
    6.4.1 训练数据的准备  110-114
    6.4.2 训练方法及过程  114-116
  6.5 训练结果及性能测试  116-119
  6.6 本章小结  119-121
第7章全文总结  121-127
  7.1 研究工作总结  121-123
  7.2 创新性工作  123-124
  7.3 主要不足及进一步工作建议  124-127
参考文献  127-139
攻博期间发表的学术论文  139-140
摘要  140-144
ABSTRACT  144-150
致谢  150

基于可调谐激光光谱的矿井瓦斯气体传感系统的研究

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