光谱吸收式煤矿瓦斯红外检测技术的应用研究

摘要

在我国，煤炭行业中的瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌，已成为制约煤矿安全生产的主要因素。因此，实时的检测瓦斯气体的产生源、泄漏源及浓度，对工矿安全运行，人身安全及环境保护有着十分重要的作用。光谱吸收式气体检测技术是当今气体检测领域的一个前沿研究课题，以发光二极管或半导体激光器作为光源的气体检测方法在灵敏度、选择性、动态范围、信噪比和响应时间等方面比传统检测方法具有诸多优点。 本文以矿井瓦斯的主要成分甲烷为目标气体，研究基于光谱吸收方法的气体检测系统。通过对气体分子红外选择性吸收理论的分析，给出气体吸收检测方法的理论依据，建立了气体差分吸收检测的数学模型，提出一种光谱吸收式煤矿瓦斯红外检测系统。 实验系统采用双波长单光路的气体传感器结构，选定甲烷分子在3.31μm强吸收谱线，采用红外LED作为光源，实现气体浓度的差分检测，利用测量信号和参考信号的比值消除由于光源的不稳定等因素引起的检测误差。根据该气体检测系统的特点，设计了合理的光源调制电路和信号调理电路，以ARM9S3C2410微处理器为核心，完成了电源电路、数据存储、数据采集和串口通信等接口电路的设计。ARM9S3C2410微处理器主要完成浓度信息的采集、数字滤波处理、数据传输等功能，通过微处理器内部集成的异步通信模块USART1和计算机串行接口RS-232，将瓦斯浓度值和报警信息等数据实时的传送到计算机，实现浓度信息的分析和存储。最后，对气体检测系统进行了实验研究，验证了检测方案的可行性，并对输出信号的波形和数值进行了分析和处理，数据指标可基本满足瓦斯浓度的检测要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题背景和现实意义

1.2红外气体检测技术的研究现状与发展趋势

1.3本文的主要工作

2光谱吸收式煤矿瓦斯红外检测方法

2.1检测瓦斯浓度的基本方法

2.2红外瓦斯气体检测方法的理论依据

2.2.1气体分子的红外选择性吸收理论

2.2.2CH4气体分子的吸收谱线与强度分布

2.2.3朗伯-比尔气体吸收定律

2.3朗伯-比尔定律的表现偏差

2.3.1光的非单色性

2.3.2杂散光的影响

2.3.3环境温度变化的影响

2.4本章小结

3气体差分吸收检测模型的建立

3.1气体差分吸收检测模型的分析

3.1.1单波长双光路法

3.1.2双波长单光路法

3.2气体差分吸收检测模型的建立

3.2.1红外瓦斯气体传感器的结构

3.2.2红外光源的选择

3.2.3热释电效应

3.2.4热释电探测器与红外滤光片

3.3本章小结

4红外瓦斯检测系统的设计

4.1系统结构设计

4.2系统硬件

4.2.1 ARM9 S3C2410微处理器介绍

4.2.2电源电路设计

4.2.3复位和时钟电路

4.2.4 SDRAM/FLASH存储器

4.2.5光源调制电路

4.2.6信号放大滤波电路

4.2.7 A/D转换器

4.2.8串行接口电路

4.3系统软件

4.3.1系统软件总体方案

4.3.2 Linux操作系统介绍

4.3.3嵌入式Linux开发环境的建立

4.3.4 BootLoader的移植

4.3.5 Linux内核移植与裁剪

4.3.6嵌入式Linux文件系统的建立

4.3.7瓦斯信息采集程序设计

4.4本章小结

5红外瓦斯检测系统的实验研究

5.1红外探测器输出信号波形分析

5.2环境因素对测量信号的影响

5.3光源调制频率的确定

5.4甲烷气体吸收实验

5.5系统测试实验

5.6本章小结

6结论

6.1论文总结

6.2进一步研究的方向与内容

致 谢

参考文献

附录硕士期间发表的论文