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光纤甲烷气体浓度检测系统的设计与实现

作　者: 柴航
导　师: 刘德明
学　校: 华中科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 光纤甲烷气体传感差分检测滤波片信号检测
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来煤矿瓦斯爆炸事件频发,给国家和个人财产带来严重的危害,因而对矿井进行实时的甲烷浓度检测就显得至关重要。目前,常采用催化燃烧式气体传感器进行甲烷检测,但是这种传感器寿命短,需要经常进行零点和灵敏度的校正,使用很不方便,也不安全。随着近年来光纤技术的发展,基于光谱吸收式光纤气体传感器由于具有灵敏度高、受外界环境影响小、响应速度快、组网方便等优点,而备受人们的关注。本系统采用光谱吸收式差分检测原理,光源发出的光经过包络滤波片、气室、梳状滤波片后,分离出参考光和信号光,然后采用探测器对两路信号光进行同时检测,最后经过数据采集处理得出甲烷气体的浓度。本文对光源、传感头、探测器、滤波片以及数据采集和处理等模块进行分析和选择。根据差分检测原理完成了光电信号检测电路的设计开发,利用PIN光电二极管将光信号转化为电信号,同时采用二级放大电路,其中一级放大为直流放大电路,二级为电压放大电路,实现了对微弱电信号的放大处理,达到了电路的设计要求。根据实验数据以及结论分析,本系统在低浓度可以实现高精度的测量,在浓度低于1%时误差小于0.1%,浓度在1%-4%时,误差小于0.3%,并且有很好的稳定性和灵敏度,基本达到了实验的要求。当然,系统仍有不足之处,还需进一步的测试和改进。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-14
  1.1 引言  9-10
  1.2 气体检测常用方法介绍  10
  1.3 光纤气体传感器  10-12
  1.4 光谱吸收型光纤气体传感器发展现状  12-13
  1.5 课题来源及本论文主要研究内容  13-14
2 光纤甲烷气体传感器基本原理  14-23
  2.1 甲烷的近红外光谱吸收原理  14-16
  2.2 谐波检测法  16-18
  2.3 差分吸收检测  18-21
  2.4 系统检测方案的确定  21-22
  2.5 本章小结  22-23
3 红外甲烷浓度检测系统的结构设计  23-30
  3.1 系统的整体结构框架  23
  3.2 气室及传感器结构设计  23-24
  3.3 光源的选取  24-26
  3.4 光源驱动及温控  26-27
  3.5 滤波片的设计  27-28
  3.6 光电信号检测电路  28
  3.7 甲烷远端声光报警装置  28-29
  3.8 本章小结  29-30
4 光电信号检测电路  30-48
  4.1 光电信号检测电路的设计需求  30-31
  4.2 电流输入前置放大器  31-33
  4.3 光电二极管的原理  33-36
  4.4 光电探测器的特性参数  36-38
  4.5 光电探测器的选取  38-39
  4.6 弱信号检测放大电路  39-45
  4.7 数据采集  45-47
  4.8 本章小结  47-48
5 甲烷传感报警系统实验结果分析  48-61
  5.1 甲烷气体光谱吸收图  48-49
  5.2 滤波片测试实验  49-51
  5.3 系统损耗测试  51-52
  5.4 探测器线性度测试  52-54
  5.5 电压信号处理  54-57
  5.6 系统的插值测试法  57-58
  5.7 示值对比测试实验  58
  5.8 重复对比测试  58-59
  5.9 系统的灵敏度  59-60
  5.10 系统的分辨率  60
  5.11 本章小结  60-61
6 总结与展望  61-62
  6.1 总结  61
  6.2 展望  61-62
致谢  62-63
参考文献  63-65

光纤甲烷气体浓度检测系统的设计与实现

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