基于空分复用的矿井瓦斯浓度光纤检测网络研究 - 图文-.doc

万方数据 第6期光谱学与光谱分析 1723 04数据库,我们查到了甲烷气体在2v3带R4支一些特定波长处的吸收半宽和线强度,如表1所示。我们选择2V。带R4支的第二条吸收线作为激光器扫描谱线,它的线强度为 0.02280 crnq・atm,吸收半宽度yO.083 clnll・ arm,不难计算出,这时甲烷的吸收系数口0O.087ctn。 Table 1Line strength and half二kmd’以d柏of R4 h铆ndl in HITRAN 04when T296K 甲烷在1650nln附近的吸收谱线如图1所示,纵坐标为 每分子的吸收线强度,单位为ClTI・molecule,通过比较可看出在R4支的吸收是很强的。 Wavelengtlgnm Fig.1 Absorption lines of methane near 1650 nnl 验。 首先用纯氮气冲洗气室,然后由信号发生器发出频率为 500 Hz,幅度为0.3V的JF弦波信号,经采集苦直接采集。 如图3a。经过气体吸收窜及光电转换、滤波放大电路,由于光路、电路存在干扰,得列的正弦波信号带有j.一定噪声。如图3b。当向气事中充入浓度为5的甲烷气体时,测得的信号如图3c,可以看出发生了明显的吸收。 E嘻3 Contrast of sine wsye modulation signal before and after absorption aSine wave modulation signal; bSine wave signal after pure nitrogen absorption; cSine wave signal after the 5methane absorption 2激光器的波长测定与气体吸收 3基于模式跃变的差分吸收检测方案 从数据库中选定甲烷气体吸收线后。我们要把激光波长稳定在该吸收线处。先将激光器输出连接到Q8344A光谱仪首先介绍一下所用激光器的模式跃变特性,图4和图5上,通过调节激光器的驱动电流和温度,可把输出波长稳定分别为由光谱分析仪测得的激光器输出波长随温度和电流的在l 650.955 sln处,如图2所示。 变化曲线。 脚2 Spectrum of DFB LD 黧h №4 Curve of DFB LD output wavelength with temperature changes 确定了激光波长之后,需要验证甲烷气体是否在 1 650.955珊处确实有较强的吸收,为此进行了下面的实 .,馨两粤的实验数据中可耍掌登光器的输出波长是随温度 和注入电流的变化ffIi阶跃性变化的。当激光器的热敏电阻固 万方数据 万方数据 第6期光谱学与光谱分析1725 光纤传感系统中的敏感了亡件传感头是气室,光纤仅作为传输激光的介质。我们设计了一种应用小璎渐变折射牢透镜grin lens的气窜,带尾纤的渐变折射率透镜和光纤匹配性好,用这种器件构成的探头损耗小,易准直,稳定性及抗震性都远远超过分立光学元件组成的气室Ⅲ],如图8所示。 2显示波形系统可以实时显示从数据采集卡获取的多通道数据波形,以及解调运算后的浓度波形,并可实时显示数字浓度值。 3文件操作系统可以将采集的数据按照用户所需的设定保存并读取历史数据。 4当浓度超出设定浓度报警下限值时,软件可提供声、光报警。 设计的监测界面如图10。 脚8s劬船硝叩tⅫa腑印a咖H蚰嘣‘4实验结果及分析 所设计的气室商径为20rp.m,气窜有效长度为10CITI。采用五维微调架调节并用特殊胶同定,耦合后测得16路的光透过率达70以七,且性能稳定,可以用于远距离测量,气室实物如图9所示。 №10Monitoring interface of methane concentration based on virtual instrmnent 由于矿井下空气中总含有一定量的粉尘及水蒸气等,因此光通过气窜时易引起散射,给测馈带来误差。为保持气室中光学元件的清洁,可以在气室开几处利用特殊的分子筛装置进行防尘、防水等处理,这样就可以将一些大分子污染物排除在外[1瓦16]。选用了上海沸石分子筛厂的5A型沸石分子筛时粉巾及水蒸气等进行处理。根据分子筛结构和它对极性分子的强吸附能力,我们知道,甲烷气体能顺利通过5A型沸石分子筛,水,硫化氧和一氧化碳等极性分子几乎全被吸收。可以满足我们所要求的测餐精度f17’18|。 本系统的软件开发以Windows为平台,采用LabVIEW 开发工具,该系统软件完成的主要功能有 1控制采集系统可以对采集卡进行初始化,触发采集,停止采集等控制。 本系统共复用了16个甲烷气体传感器,将16路传感器放入配气室后充人不同浓度甲烷气体进行了实验数据测量,并用红外线分析仪进行了理论值标定。现随机选取其中几路的实验数据进行分析,单位为mV,如表2所示。 Table2Experimental data of methane absorption 我们对通道1中测最得到的电压值与理论浓度值进行直线拟合,得到实际测量浓度与电压值的表达式为 C3.54258102X71.26319式中X为通过一定浓度甲烷气体后的电压值,f为测量浓度,将测得的电压值x代人上式可以得到实际测萤浓度。用LabVIEW编写直线拟合程序来拟合相应曲线,如图所示。 Voltage/mV 晦II Fitting line of methane concentration in ateorption experiment 从拟合的直线可以直观地看出,传感器的响应度与气体浓度的变化趋势与理论分析结果基本一致,即在一定范围内呈线性。 万方数据 万方数据 基于空分复用的矿井瓦斯浓度光纤检测网络研究 作者 作者单位 张记龙， 王鹏， 王志斌， 李晓， 王智文， ZHANG Ji-long， WANG Peng， WANG Zhibin， LI Xiao， WANG Zhi-wen 张记龙,王志斌,李晓,ZHANG Ji-long,WANG Zhi-bin,LI Xiao电子测试技术国家重点实验室 ,山西,太原,030051;中北人学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,山西,太原,030051 ， 王鹏,王智文,WANG Peng,WANG Zhi-wen中北人学山西省光电信息与仪器工程技术研究中 心,山西,太原,030051 光谱学与光谱分析 SPECTROSCOPY AND SPECTRAL ANALYSIS 2010，306 0次 刊名 英文刊名 年，卷期 被引用次数 参考文献18条 1.谢宝卫.李国斌 查看详情 20023 2.ZHANG Yu.WANG Yi-ding.LI Li 查看详情 200811 3.SchMer S.Mashni M.Sneider J 查看详情 1998 4.Son Young-Ho.Jung Woo-Chul.Jeong Jae-In 查看详情 20014 5.XU Zhen-feng.ZHANG Yue.LI Xiao 查看详情 20074 6.Gharavi Mohammadreza.Buckley Steven G 查看详情 2005 7.WANG Yu-tian.LI Xiao-xin.LIU Zhan-wei 查看详情 20046 8.Gladyshev A V.Belovolov M I.Vasiliev S A 查看详情 2004 9.Acsente T 查看详情 2007 10.Weldon V 查看详情 19936 11.Marth Philip A 查看详情 2002 12.Isek Takaya.Tai Hideo.Kimura Kiyoshi 查看详情 2000 13.Simpson T B 查看详情 2003 14.McGettrick Andrew James.Duffin Kevin.Johnstone Walter 查看详情 20084 15.Stewart G.Tandy C.Moodie D 查看详情 1998 16.Massie Crawford.Stewart George 查看详情 2006 17.Culshaw B.Stewart G.Dong F 查看详情 1998 18.杜红彦.赫淑坤.尹妹媛 查看详情 20001 相似文献1条 1.学位论文 王鹏 矿井甲烷浓度光纤监测网络及其关键技术研究 2009 随着煤炭工业的发展，瓦斯爆炸事故频频发生，已经成为制约煤矿安全生产的重要因素。甲烷是煤矿瓦斯气体的主要成分，甲烷、氧气以及明火的 存在是引起瓦斯爆炸的三个因素。因此，实时可靠的检测矿井甲烷浓度对保障人民生命和国家财产安全有着重要的社会意义和经济意义。 论文中首先综述了甲烷常用的检测方法和光纤气体传感器的国内外发展现状。然后，设计了一套基于红外光谱吸收原理的准分布式光纤甲烷传感监 测网络，该网络利用分布反馈式半导体激光器DFB LD和16路光开关，结合空分复用技术且分别对差分吸收和谐波检测法进行了分析。 其次，研究网络的光源模块、传感模块、光电转换模块和信号采集与处理模块。本文重点对甲烷在2V3带R4支1650.96nm附近的吸收谱线、DFB激光 器的模式跃变特性和气体吸收室及防污染装置的设计等关键技术的研究。另外，设计了前置放大及带通滤波等电路。利用高速数据采集卡和LabVIEW编程 软件设计了专用的甲烷浓度监测虚拟系统，来实现实时瓦斯浓度数值显示和曲线的可视化输出，及时进行声光报警等功能。 最后，我们分别对差分吸收式的双波长单光路检测方案和二次谐波检测方案进行了甲烷气体吸收实验，对网络进行了光纤链路损耗实验，并进行了 重复性和稳定性等实验。实验结果均与理论分析一致。通过分析得到网络中传感器的灵敏度为0.0018uw/ppm、分辨率达到96ppm。 本文链接http// 授权使用无锡市图书馆wxstsg，授权号6c8f3d83-b7a0-4a83-9e86-9e6200b6f5b2 下载时间2011年1月5日