多通道光纤甲烷检测系统的研究

【摘要】：瓦斯气体的主要成分是甲烷,易燃易爆,它主要存在于煤矿、石油化工、地铁隧道等作业场所,当瓦斯的含量超过一定的范围时会引发瓦斯灾害,严重威胁作业场所的安全。天然气和瓦斯类似,其主要成分也是甲烷,随着天然气供给网络的不断完善和普及,越来越多的住户可以享受天然气带来的便利和实惠,同时天然气泄露事故频发,严重威胁人们的生命财产安全。因此,甲烷气体浓度的检测具有现实意义。现阶段,甲烷传感器大多是单点检测,且实时性差,因此,利用光纤传感网络实现甲烷的多点监测具有现实意义。 光纤甲烷气体传感器具有其它类甲烷传感器不可比拟的优势,开发多通道光纤甲烷实时监测系统是市场的迫切需要。基于此,本课题对于光纤甲烷传感器进行了深入的研究和探索,开发出了适应于工程化应用的多通道光纤甲烷气体监测系统。该系统具有响应速度快、实时性好、长期免调校、组网简单等特点。 利用光谱吸收技术,选择近红外波段中心波长为1665.32nm的分布反馈式半导体激光器(DFB LD)作为光源,用特殊的电流信号驱动DFB LD发光,实现DFB LD的波长和光强的同时调制。由于DFB LD的出光波长受温度的影响,本课题采用Linear公司生产的LTC1923,使DFB LD的管芯温度保持恒定。采用谐波检测技术提取出含有甲烷气体浓度信息和初始光强的二次谐波信号,提取出只含有初始光强的一次谐波信号,将二次谐波信号和一次谐波信号的比值作为输出,这样消除了光强波动带来的不利影响。因为多通道光纤甲烷气体监测系统中传感探头和信号处理电路是分离的,使得对应测点的浓度信息传输到信号处理电路时产生不同的相位差,利用锁相放大技术,采用模拟乘法器(MLT04)消除了未知相位差。 为了提高多通道光纤甲烷气体监测系统的响应速度,对光纤传感探头进行了优化,优化后的气室浅而窄,这样利于气体的置换,明显提高了系统的响应速度。借助ANSYS软件中的Workbench平台,对气室进行了静力学分析,对光纤传感探头进行了模态和跌落分析,分析结果表明新设计的探头可靠性好。最后,对光纤传感探头的防尘防水做了进一步的探讨。 【关键词】：多点监测 光谱吸收 谐波检测 锁相放大 Workbench
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP274
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 课题研究的背景与意义10-11
• 1.2 气体检测的常用方法11-14
• 1.2.1 光干涉式气体检测仪12-13
• 1.2.2 催化燃烧式气体检测仪13
• 1.2.3 热导式气体检测仪13
• 1.2.4 光谱吸收式气体检测仪13-14
• 1.2.5 常见的气体检测仪性能比较14
• 1.3 国内外光谱吸收式气体检测技术的研究现状14-17
• 1.3.1 国外光谱吸收式气体检测技术的发展状况14-16
• 1.3.2 国内光谱吸收式气体检测技术的发展状况16-17
• 1.4 课题来源及研究内容和目的17-19
• 1.4.1 课题来源17-18
• 1.4.2 研究内容18
• 1.4.3 研究目的18-19
• 1.5 本章小结19-20
• 第2章 光谱吸收式光纤甲烷检测原理20-29
• 2.1 甲烷分子的结构、分子光谱和运动形式20-23
• 2.1.1 转动与转动光谱21
• 2.1.2 振动与红外振动光谱21-22
• 2.1.3 转动-振动光谱22-23
• 2.2 光谱吸收式光纤甲烷检测原理23-24
• 2.3 可调谐二极管激光吸收光谱技术24-28
• 2.3.1 TDLAS系统基本原理25-26
• 2.3.2 波长调制和谐波检测技术26-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第3章 多通道光纤甲烷检测系统的研究29-46
• 3.1 甲烷气体吸收峰及光源的选择29-31
• 3.2 光路补偿技术的研究31-34
• 3.2.1 参考气室光路补偿法31-33
• 3.2.2 特殊光源激励光路自补偿法33-34
• 3.3 多通道光纤甲烷检测系统的硬件设计34-45
• 3.3.1 多通道光纤甲烷检测系统的研究方案34-36
• 3.3.2 光源驱动电路36-38
• 3.3.3 光源恒温控制电路38-41
• 3.3.4 光电转换电路41-42
• 3.3.5 倍频电路42-43
• 3.3.6 锁相解调电路43-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第4章 光纤甲烷传感探头的设计46-64
• 4.1 常见的几种气室结构46-49
• 4.1.1 GRIN气室46-48
• 4.1.2 White池48-49
• 4.1.3 Herriott池49
• 4.2 气室结构设计49-54
• 4.2.1 气室结构优化50-53
• 4.2.2 气室防尘防水措施53-54
• 4.3 气室可靠性分析和试验54-63
• 4.3.1 气室的静力学结构分析54-57
• 4.3.2 传感探头模态分析57-59
• 4.3.3 传感探头振动试验59-60
• 4.3.4 传感探头跌落仿真60-63
• 4.4 本章小结63-64
• 第5章 多通道光纤甲烷检测系统的测试64-70
• 5.1 实验室条件下系统测试64-66
• 5.2 多通道光纤甲烷检测系统在油库中的应用66-70
• 第6章 总结与展望70-72
• 6.1 全文总结70-71
• 6.2 后续展望71-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-76
• 附录A76

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