基于光谱吸收的光纤式有害气体测量技术的研究

摘要

随着石油、天然气工业以及煤炭工业的发展，煤矿爆炸事故日益增加。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数以煤为主要能源的国家之一。在煤炭的生产、加工过程中产生的大量甲烷(CH<,4>)及一氧化碳(CO)等易燃易爆气体，带来了煤矿安全、环境污染等一系列的问题。因此，对煤矿生产、加工过程中产生的有害气体进行高灵敏度检测变得十分重要。 通信技术的发展使得光源及各种光纤器件性能更加完善。因此，在各种气体传感器中光纤气体传感器受到国内外研究者的广泛关注。光纤气体传感器因其敏感元件与检测电路和信号处理电路实现了完全的电隔离，使系统更加安全可靠。 本文以煤矿井下主要有害气体甲烷(CH<,4>)和一氧化碳(CO)为检测目标气体，进行基于光谱吸收的全光纤传感系统的理论和实验研究。研究的主要工作如下： (1)应用气体分子光谱理论和实验，研究甲烷分子及一氧化碳分子的近红外光谱吸收特性，选择吸收波长，消除交叉敏感。 (2)研究基于光谱吸收理论的气体传感技术，抑制检测信号中与气体浓度无关的各种干扰成份，提高系统的检测灵敏度。 (3)基于光纤布拉格光栅的窄带滤波特性，设计了以光纤布拉格光栅为滤光元件的差分吸收系统和谐波检测系统。 (4)利用光纤布拉格光栅作为光学滤波器，设计CH<,4>和CO两种气体在线监测系统，进行光学传感气室的设计与研制。研究光源和光探测器的光电特性，研究分析光纤与光源、光探测器与光纤以及光纤与气室之间高效耦合技术。 (5)研究微弱光信号的检测技术，设计具有较高信噪比的光电微弱信号检测电路。 (6)对系统进行实验与结果分析。包括光源特性、探测器特性及系统对CH<,4>和CO气体的吸收实验。

目录

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第1章绪论

1.1课题的研究目的和意义

1.2气体传感器研究概况

1.2.1几种主要的气体传感器

1.2.2矿井有害气体检测技术

1.2.3气体传感器的发展方向

1.3光纤气体传感器

1.3.1光谱吸收型光纤气体传感器

1.3.2光谱吸收型光纤气体传感器的国内外发展现状

1.3.3光谱吸收型光纤气体传感器存在的问题

1.4课题来源及主要研究内容

1.4.1课题来源

1.4.2主要研究内容

第2章光谱吸收型气体传感理论基础

2.1引言

2.2气体分子的选择吸收特性

2.3双原子分子振动转动光谱与CO的精细谱结构

2.3.1双原子分子的振动能量

2.3.2双原子分子的转动能量

2.3.3双原子分子的振动转动光谱

2.3.4 CO分子的红外光谱

2.4多原子分子振动转动光谱与CH4的精细谱结构

2.4.1多原子分子的振动

2.4.2多原子分子的转动

2.4.3多原子分子的振动转动光谱

2.4.4 CH4分子的红外光谱

2.5气体分子吸收线形和线宽分析

2.6气体吸收谱线的强度分布

2.7本章小结

第3章光谱吸收型光纤气体传感技术研究

3.1单波长光谱吸收型气体传感器

3.2光谱吸收型差分检测技术

3.2.1差分吸收检测数学模型的建立

3.2.2宽带光源LED差分吸收检测系统

3.2.3窄带光源差分吸收检测系统

3.3光源频率调制和谐波检测技术

3.3.1光强调制

3.3.2频率调制

3.3.3谐波检测理论

3.3.4谐波检测技术的实现

3.4光纤光栅实现气体高灵敏度检测技术的研究

3.4.1光纤光栅的光学特性研究

3.4.2光纤光栅滤波的气体差分检测系统

3.4.3光纤光栅滤波的气体谐波检测系统

3.5本章小结

第4章CH4和CO传感系统设计及关键技术

4.1引言

4.2 CH4和CO传感系统设计

4.3系统光源及其特性

4.3.1半导体激光器

4.3.2发光二极管LED

4.3.3系统光源及其驱动电路设计

4.4系统光电探测器及其特性

4.4.1 PN和PIN光探测器的工作原理

4.4.2光探测器的特性参数

4.4.3光探测器的工作模式

4.4.4系统选用PIN探测器的性能指标

4.5光纤光栅的参数

4.6光纤的损耗特性

4.7传感气室的设计

4.8光纤与光源及探测器之间的耦合技术

4.9本章小结

第5章微弱光电信号处理技术的研究

5.1引言

5.2信号的相关检测技术

5.2.1相关函数

5.2.2相关检测技术

5.3微弱信号的锁定检测

5.3.1锁相放大器工作原理

5.3.2锁相放大器的组成

5.3.3前置放大电路的设计

5.3.4前置放大电路的噪声分析

5.3.5滤波电路的设计

5.3.6参考信号频率自动跟踪的锁定放大电路

5.4模拟信号的量化

5.5单片机控制系统

5.6本章小结

第6章光纤气体传感系统实验研究

6.1引言

6.2 SLED光源特性测试

6.2.1 SLED的P-I特性测试

6.2.2 SLED光谱特性的测试

6.3光电探测器光谱响应度测试

6.4气体吸收实验

6.5系统标定实验

6.6重复性实验

6.7系统的灵敏度分析

6.8本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

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