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基于SLED光源光纤瓦斯检测技术研究及系统实现

作　者: 黄亮
导　师: 王书涛
学　校: 燕山大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 光纤气体传感 瓦斯检测 差分吸收检测 谐波检测 F-P标准具 GRIN传感气室
分类号: TD712.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 73次
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内容摘要


研制及时、准确地对易燃、易爆、有毒有害气体进行在线实时监测的传感系统已成为当前煤炭、石油、化工、电力、交通、航空航天及环境监测等领域亟待解决的问题。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。论文以矿井瓦斯的主要成分甲烷为目标气体,研究并建立基于光谱吸收方法的光纤气体检测系统。该系统具有灵敏度高,响应速度快,动态范围大,防燃防爆,防电磁干扰等优点。论文通过对气体近红外选择性吸收的理论分析,给出了气体吸收测量的理论依据。通过对甲烷气体及其吸收谱线图的分析,选择适合普通石英光纤进行较长距离低损耗传输的光谱吸收峰。阐述了气体差分吸收检测和谐波检测原理,并建立了基于两种检测原理的数学模型,提出相应的系统设计方案。本论文提出的光纤气体检测系统中将GRIN气室与SLED光源相结合构成独特设计的光路系统,由步进电机调节微位移平台来调整两F-P标准具各自端面间的水平方向距离,实现梳状滤波器透射谱交替对准气体吸收谱线波长和参考波长,促进了微弱信号检测技术在光纤气体传感领域的发展。论文进行了包括光纤气体传感系统特性参数实验、气体吸收实验和示值比对实验等气体检测系统的总体实验。实验结果及数据分析验证了光谱吸收式光纤气体传感检测系统设计方案的可行性和正确性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-21
  1.1 课题研究的背景及意义  10-12
  1.2 气体浓度检测的主要方法  12-13
  1.3 光纤气体传感器及其发展动态  13-17
  1.4 国内外气体传感器研究现状  17-20
    1.4.1 国外光纤气体传感器研究现状  17-18
    1.4.2 国内光纤气体传感器研究现状  18-20
  1.5 课题来源和研究内容  20-21
    1.5.1 课题来源  20
    1.5.2 课题研究内容  20-21
第2章 光谱吸收式光纤气体传感机理  21-34
  2.1 引言  21
  2.2 气体分子红外选择吸收理论  21-25
    2.2.1 气体分子运动形式及其光谱  23-24
    2.2.2 基频、泛频和组合频的光谱  24-25
  2.3 甲烷气体吸收谱线的选择  25-26
  2.4 吸收式光纤气体检测原理  26-33
    2.4.1 差分吸收检测  28-30
    2.4.2 谐波检测  30-33
  2.5 本章小结  33-34
第3章 光纤气体传感系统总体设计及方案选择  34-52
  3.1 引言  34
  3.2 半导体光源  34-38
    3.2.1 发光二极管LED  34-36
    3.2.2 半导体激光器  36-37
    3.2.3 分布反馈式半导体激光器(DFBLD)  37-38
    3.2.4 光源的选取  38
  3.3 F-P 梳状滤波  38-43
    3.3.1 F-P 基本特性  39-40
    3.3.2 串联F-P 标准具实现梳状滤波(间距d 固定)  40-42
    3.3.3 级联F-P 平板实现吸收峰的动态扫描(间距d 可变)  42-43
  3.4 光学传感气室  43-46
  3.5 光探测器  46-47
  3.6 微弱信号检测技术的研究  47-51
    3.6.1 光电信号的相关检测  48-50
    3.6.2 锁相放大电路  50-51
  3.7 本章小结  51-52
第4章 基于SLED光纤气体差分检测系统设计  52-66
  4.1 基于SLED和级联F-P滤波的光纤气体差分检测系统总体框图  52
  4.2 光源控制电路设计  52-57
    4.2.1 驱动电路原理  53-55
    4.2.2 驱动电路设计  55-56
    4.2.3 正弦波发生电路的设计  56-57
  4.3 微弱光信号检测电路  57-60
    4.3.1 光电转换电路  57-59
    4.3.2 前置放大电路  59-60
  4.4 滤波电路设计  60-62
  4.5 L297和L298混合式步进电机驱动器  62-63
  4.6 锁相放大器选取  63-65
  4.7 本章小结  65-66
第5章 光纤气体传感系统实验和结果分析  66-74
  5.1 引言  66
  5.2 实验样机  66-68
  5.3 系统的灵敏度与分辨力  68-69
  5.4 甲烷气体吸收实验  69-70
  5.5 系统标定实验  70-73
    5.5.1 示值比对实验  70-71
    5.5.2 交叉灵敏度实验  71
    5.5.3 重复性实验  71-72
    5.5.4 稳定度实验  72-73
  5.6 本章小结  73-74
结论  74-76
参考文献  76-81
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  81-82
致谢  82-83
作者简介  83

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中图分类: > 工业技术 > 矿业工程 > 矿山安全与劳动保护 > 矿井大气 > 矿井瓦斯 > 瓦斯涌出及预测
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