煤矿瓦斯治理论文煤矿瓦斯防治论文煤矿瓦斯监控论文-基于光谱吸收的瓦斯检测技术及实验研究.doc

煤矿瓦斯治理论文煤矿瓦斯防治论文煤矿瓦斯监控论文- 基于光谱吸收的瓦斯检测技术及实验研究 【摘要】 甲烷易燃易爆,是巷道瓦斯和天然气的主要成分,当其泄漏到环境中时,利用可靠传感器对其进行及时检测对于化工设备、煤气厂、矿山及住宅区具有重要意义。 气体光谱是评估气体物质浓度的高选择性、高灵敏度方法。利用近红外谱带和光纤光学器件可实现气体光谱的遥测。井下基于光纤的甲烷遥测方法不会产生任何电信号,与采用电子气体传感器和传输导线的传统方法相比优势明显全光学,无危险,易校正,不易受扰动气体及电磁干扰等。 从分子光谱与分子结构入手,分析了甲烷分子振动、转动及振转光谱理论。阐述了孤立吸收线的不同展宽机理及其线型函数,为实际测量中吸收线型的选取提供了理论依据。 针对波长调制吸收谱分析中的光源频率与幅度调制问题、标准具条纹产生与抑制问题、系统检测能力与信噪比等问题进行了详尽的理论分析,揭示了锁相放大器谐波输出与气体吸收线型及光电探测器输出信号傅里叶分解的关系,给出了一次、二次谐波检测与比值处理技术的相关理论。 发展了梳状光源等效吸收系数的理论,设计了低噪声光电预放大电路及LabVIEW数据采集系统。提出由其它气体浓度的测量间接推知甲烷浓度的方案。实测了SO2吸收与荧光光谱,设计了吸收荧光式多气体检测系统。探讨了空芯光子晶体光纤HC-PCF作为吸收荧光探头的可行性,并设计了相应吸收与荧光检测系统。分析了光纤分束器组网及锁模光纤激光器多点传感的相关理论。 运用棱镜气室与谐波检测技术,由步进电机调节棱镜中线间的距离,进而改变气室内有效吸收光程,构建了适用于宽广浓度范围内的光纤甲烷检测系统;应用取样光纤光栅、级联F-P干涉仪滤波和改进的差分吸收检测技术,实现了对甲烷气体等距分布的多条近红外吸收线的同时测量,完善了差分吸收技术应用于弱气体检测的理论,提高了气体测量的抗串扰能力;HC-PCF的空芯区域可实现很长的光与气体作用距离,适于对甲烷的微弱吸收波段进行检测。以多段级联的空芯光子带隙光纤作为气体传感探头,分析了甲烷在空芯内的扩散特性,构建了新型全光纤甲烷监测系统;泄漏到光纤外部的泵浦光能被附着在光纤光栅外部的金属涂敷层吸收,影响了光栅的谐振波长。当有气流通过光纤光栅时,由于热量被带走,导致光纤光栅温度变化,通过监测谐振波长的改变测量了气体的泄漏速度。 【关键词】光纤传感 甲烷检测 谐波检测 差分吸收 棱镜气室 HC-PCF传感 【学位授予单位】燕山大学 【学位级别】博士 【学位授予年份】2010 【作者】吴希军 【付费索取全文】Q联系Q138113721 Q联系Q139938848 【目录】 摘要4-6 Abstract6-15 第1章 绪论15-33 1.1 论文研究的背景与意义15-16 1.2 光纤气体检测技术及其发展趋势16-22 1.2.1 光纤气体传感方法及原理16-17 1.2.2 光谱吸收式气体监测技术17-20 1.2.3 多组分气体检测技术20-22 1.3 国内外光纤气体传感器的研究现状22-31 1.3.1 国外光纤气体传感器研究现状22-28 1.3.2 国内光纤气体传感器研究现状28-31 1.4 课题来源和研究内容31-33 1.4.1 课题来源31 1.4.2 研究内容31-33 第2章 分子光谱理论与吸收线的选择33-53 2.1 甲烷分子光谱与分子结构33-42 2.1.1 转动与转动光谱33-35 2.1.2 振动光谱35-39 2.1.3 红外振动光谱39-41 2.1.4 转动-振动光谱41-42 2.2 谱线线型与展宽机理42-50 2.2.1 自然加宽42-44 2.2.2 碰撞压力加宽44-46 2.2.3 多普勒加宽46-49 2.2.4 伏哥特展宽49 2.2.5 综合加宽49-50 2.3 甲烷吸收谱与监测波长的选择50-52 2.4 本章小结52-53 第3章 波长调制吸收谱分析与谐波检测53-71 3.1 波长调制吸收谱分析原理53-65 3.1.1 Lambert-Beer 吸收定律54-55 3.1.2 光源调制过程及工作波段的选择55-56 3.1.3 吸收线型及其傅里叶系数56-59 3.1.4 探测器信号分解与标准具条纹抑制技术59-62 3.1.5 波长调制吸收谱分析WMAS系统检测能力62-64 3.1.6 偶次谐波检测信噪比分析64-65 3.2 谐波检测与比值处理技术65-70 3.3 本章小结70-71 第4章 吸收谱检测系统关键技术71-97 4.1 半导体光源71-77 4.1.1 激光二极管LD工作原理72-73 4.1.2 单频激光器73-75 4.1.3 LD 频率调制及锁定75-76 4.1.4 宽带光源LED 及SLED76-77 4.2 光电探测器及放大电路77-81 4.2.1 光电探测器77-79 4.2.2 光电信号预放大电路79-81 4.3 传感气室81-88 4.3.1 GRIN 气室81-82 4.3.2 光学多通气室82-86 4.3.3 空芯光子晶体光纤HC-PCF气室86-88 4.4 梳状滤波与等效吸收系数88-96 4.4.1 级联F-P 标准具实现甲烷梳状滤波88-93 4.4.2 等效吸收系数及其改进93-96 4.5 本章小结96-97 第5章 多组分网络化气体检测系统的研究97-113 5.1 巷道空气成分97-101 5.1.1 矿井空气主要成分及其检测方法97-98 5.1.2 矿井空气有害气体成分及其检测方法98-101 5.2 多组分检测系统101-108 5.2.1 NO 与SO_2 吸收荧光式检测系统102-103 5.2.2 CH_4 与SO_2 吸收荧光式检测系统103-107 5.2.3 PCF 吸收荧光式检测系统107-108 5.3 传感系统的网络化实现108-112 5.3.1 由光纤分束器构成的多点传感系统108-109 5.3.2 基于锁模光纤激光器的传感网络系统109-111 5.3.3 基于频率调制连续波FMCW的准分布式气体传感系统111-112 5.4 本章小结112-113 第6章 实验系统构建及数据处理113-139 6.1 基于棱镜气室的谐波检测系统113-120 6.1.1 气体吸收系数及光程的选取113-115 6.1.2 单频调制实验115-117 6.1.3 双频调制实验117-120 6.2 取样光栅SFBG改进的差分吸收检测方法120-125 6.2.1 梳状光源等效吸收系数120-121 6.2.2 改进的差分吸收检测技术121-122 6.2.3 差分检测系统及数据处理122-125 6.3 HC-PCF 传感125-131 6.3.1 实验用HC-PCF 结构及透射谱125-126 6.3.2 基于DFB-LD 的谐波检测实验系统及结果126-127 6.3.3 基于SLD 和级联F-P 滤波的差分检测系统127-131 6.4 基于光纤自加热效应的气体泄漏检测131-136 6.4.1 实验装置和测量原理131-135 6.4.2 实验结果及数据处理135-136 6.5 实验平台与LABVIEW 数据采集系统136-138 6.6 本章小结138-139 结论139-141 参考文献141-150 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果150-152 致谢152-153 中国博硕网提供论文文献、论文发表和论文写作指导服务 客服Q联系Q 138113721 Q联系Q 139938848 【说明】1、本站仅为中国学术文献总库的合作代理商，作者如对著作权益有异议请与总库和本校联系；2、为方便读者学习和引用，特将图片转换成WORD文档。