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光谱吸收型红外瓦斯传感器的研究

作　者: 刘东旭
导　师: 王志斌
学　校: 中北大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 光谱吸收红外瓦斯传感器差分吸收煤尘湿度
分类号: TP212.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着煤炭工业的发展,瓦斯突出及瓦斯爆炸等事故频繁发生,从而使瓦斯气体检测成为保证煤矿安全生产面临的一项重要课题。矿井瓦斯的主要成分是甲烷,引起瓦斯爆炸的三个主要因素是瓦斯浓度、氧气和火源。因此,实时可靠检测矿井瓦斯浓度对减少国家和人民的生命财产损失有重要的经济意义和社会意义。本论文针对目前矿井瓦斯检测的现状和发展,重点研究了以下内容:1)首先,综述了瓦斯检测常用的检测方法和红外瓦斯传感器的国内外发展现状,然后介绍红外光谱吸收原理和差分吸收技术,为论文奠定了理论基础;2)其次,根据红外光谱吸收原理、差分吸收技术和单光路双波长工作方式,利用瓦斯在3.31μm处较强的吸收线设计红外瓦斯传感器。重点介绍了红外瓦斯传感器的硬件设计,研究了光源调制技术。采用差分放大电路为核心的信号调理电路,利用高速A/D芯片采集瓦斯浓度信息;3)再次,对差分吸收式红外瓦斯瓦斯传感器进行了实验,采用二项式拟合出瓦斯浓度-电压曲线,并对标定好的红外瓦斯传感器进行了示值对比实验、一致性实验、稳定性实验等,实验结果证明系统工作稳定,各项技术指标达到项目要求;4)最后,研究了矿井内不同粒径的煤尘、湿度对红外瓦斯传感器工作的稳定性和可靠性的影响,并研究了红外瓦斯传感器的防尘防水技术。利用自建的煤尘和湿度实验系统对红外瓦斯传感器进行了长时间的不间断实验,得出煤尘对红外瓦斯传感器的输出电压的影响呈线性关系和湿度对红外瓦斯传感器输出电压的影响在短时间内也呈线性关系的重要结论,初步建立了煤尘和湿度对红外传感器的实验模型。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-17
  1.1 课题背景和意义  10-11
  1.2 瓦斯气体检测方法概述  11-13
  1.3 红外光谱吸收型瓦斯传感器国内外发展现状  13-15
    1.3.1 国外发展现状  13-14
    1.3.2 国内的发展现状  14-15
  1.4 本文主要研究内容和课题来源  15-17
2 光谱吸收型红外瓦斯浓度检测原理  17-25
  2.1 气体分子的红外选择吸收  17
  2.2 朗伯-比尔定律  17-19
  2.3 甲烷气体的吸收谱线强度  19-20
  2.4 差分吸收检测技术  20-25
    2.4.1 单波长双光路法  21-22
    2.4.2 双波长单光路法  22-23
    2.4.3 双波长双光路法  23-25
3 光谱吸收型红外瓦斯传感器的设计  25-39
  3.1 系统总体设计  25-26
  3.2 单片机控制系统  26
  3.3 电源模块  26-28
    3.3.1 电源模块设计要点  26-27
    3.3.2 电源模块组成及设计  27-28
  3.4 红外瓦斯传感器探头  28-33
    3.4.1 光源及其调制系统  29-31
    3.4.2 吸收气室  31-32
    3.4.3 滤光片及热释电探测器  32-33
  3.5 信号调理及采集电路  33-39
    3.5.1 前级放大电路  33-34
    3.5.2 滤波电路  34-36
    3.5.3 差动放大电路  36-37
    3.5.4 A/D 采集电路  37-39
4 传感器性能实验  39-46
  4.1 红外瓦斯传感器原理样机概述  39-40
  4.2 测试系统介绍  40
  4.3 瓦斯浓度测量实验  40-42
  4.4 示值对比实验  42-43
  4.5 一致性实验  43-44
  4.6 稳定性实验  44
  4.7 重复性实验  44-46
5 煤尘、水汽对红外瓦斯传感器的影响  46-60
  5.1 煤矿矿井环境  46-48
    5.1.1 矿井空气  46
    5.1.2 矿井微气候环境  46-48
    5.1.3 矿井煤尘  48
  5.2 红外瓦斯传感器的防尘防水措施  48-51
    5.2.1 沸石分子筛  49-50
    5.2.2 微孔滤膜  50
    5.2.3 防尘防水气室设计  50-51
  5.3 煤尘对红外瓦斯传感器的影响实验  51-54
    5.3.1 实验准备  51-53
    5.3.2 实验记录  53
    5.3.3 实验结果分析  53-54
  5.4 煤尘环境下的瓦斯吸收实验  54-55
  5.5 水汽对红外瓦斯传感器的影响实验  55-58
    5.5.1 实验准备  55-56
    5.5.2 实验记录  56-57
    5.5.3 实验结果分析  57-58
  5.6 湿度环境下的瓦斯吸收实验  58-60
6 总结与展望  60-61
附录 1 信号调理和数据采集电路  61-62
附录 2 前置放大电路和电源管理、控制电路  62-63
参考文献  63-67
硕士期间发表论文  67-68
致谢  68

光谱吸收型红外瓦斯传感器的研究

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