矿井CH4和煤尘的光声复合检测方法研究

摘要

煤矿瓦斯气体（甲烷）爆炸与煤尘颗粒爆炸常常相伴发生，当前甲烷气体浓度和煤尘质量浓度是独立分开检测的，这对煤矿瓦斯煤尘爆炸的精确预测十分不利。本文应用气体滤波光声技术和消光原理对井下气体中甲烷气体浓度和煤尘颗粒浓度进行复合检测。分别使用两个气体滤波光声腔作为甲烷气体测量光声腔和煤尘颗粒参比光声腔（一氧化碳测量光声腔），在光源和光声腔之间设置甲烷-煤尘浓度测量腔，检测二者通入测量腔后光声信号强度的改变，然后对两个滤波波长上甲烷气体吸收和煤尘颗粒消光进行相关计算，同时得到甲烷气体浓度和煤尘质量浓度。
　　按照相关的光声滤波技术和消光原理，设计出适合本实验使用的光声腔尺寸。由微音器、锁相放大器等器件构建出整个光声复合甲烷．煤尘浓度危险判断装置。运用此装置进行试验，验证光声腔的参数是否与计算结果相同，结果显示该系统对甲烷和煤尘的浓度都有非常高的测量精度。最后，设计了光声复合甲烷．煤尘检测装置的BP模糊网络系统，将BP网络和模糊推理合理地联系在一起，组成了浓度危险判断算法。实验结果显示，光声复合检测方法可以同时精确检测甲烷气体浓度和煤尘颗粒浓度。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 论文研究的背景与选题意义

1．2 甲烷和煤尘国内外检测现状

1．2．1 甲烷和煤尘国外检测现状

1．2．2 瓦斯和煤尘检测技术国内研究现状

1．3 常用的瓦斯和煤尘浓度检测方法

1．3．1 常用的瓦斯浓度检测方法

1．3．2 常用的煤尘浓度检测方法

1．4 论文主要研究内容

1．5 本文主要工作

2 光声光谱与气体光声光谱的激发原理

2．1 光声光谱

2．1．1 出现光声光谱的必要因素

2．1．2 红外气体吸收定律

2．1．3 气体光声光谱

2．2 气体光声效应热产生机理

2．2．1 气体吸收原理

2．2．2 光声信号的激发过程

2．3 待测介质浓度与光强信号的联系

3 甲烷-煤尘光声检测基本理论

3．1 甲烷气体红外特征光谱

3．2 甲烷气体的光声检测模型建立

3．2．1 无井下气体检测模型

3．2．2 有甲烷气体检测模型

3．3 结合煤尘消光的光声复合测量模型

3．3．1 考虑煤尘消光作用下的光声模型修正

3．3．2 多颗粒非相干单次散射

3．3．3 煤尘粒子吸收

3．3．3 考虑煤尘粒子消光的复合模型

4 光声光散射复合测量系统设计

4．1 光声腔的选择和参数分析

4．1．1 光声腔的选择

4．1．2 光声腔构造设计和尺寸确定

4．2 建立光声光散射复合测量装置

4．2．1 光源选取

4．2．2 调制方式确定

4．2．3 传声器

4．2．4 吸收路径

4．2．5 锁相放大器

4．2．6 数据采集和分析系统

4．2．7 气体的配置

4．3 光声光散射复合检测装置总体框架

5 光声光散射复合检测实验系统研究

5．1 实验步骤

5．2 实验结果及其数据分析

6 甲烷-煤尘浓度报警识别算法

6．1 BP神经网络

6．2 模糊算法

6．3 实验算法识别

结论

参考文献

作者简历

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