红外技术在智能化甲烷传感器中的应用研究

【摘要】： 甲烷泄露直接影响着人民的生命安全,本文研究一种基于红外技术的智能化甲烷传感器,主要针对煤矿井下甲烷检测而设计。 论文首先介绍了气体吸收光谱原理和红外吸收检测技术,重点放在了光学系统设计:光学部分采用电调制技术,单光路双波长的差分检测;电气部分设计了信号直流放大、滤波电路,简单可靠,成本低,使系统具有较高的信噪比和灵敏度,CPU采用PIC单片机来完成多路数据的采集,处理,判断,数据的显示和报警等一系列功能,并给出了甲烷浓度值的标定和计算方法。实验结果表明,由红外吸收甲烷传感器测量的浓度值与实际值之间的误差达到了煤矿安全验证的要求。 【关键词】：吸收光谱 电调制 差分检测 PIC单片机 数据采集
【学位授予单位】：辽宁工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-14
• 1.1 选题的目的和意义10-11
• 1.2 红外气体传感器的现状及发展趋势11-13
• 1.3 论文主要内容13-14
• 2 气体吸收光谱原理14-29
• 2.1 气体分子能级结构与吸收光谱14-20
• 2.1.1 气体分子能级结构14-18
• 2.1.2 气体分子吸收光谱18-20
• 2.2 CH4气体分子的吸收谱线与强度分布20-22
• 2.2.1 CH4气体分子结构20
• 2.2.2 CH4气体分子的吸收谱线20-21
• 2.2.3 CH4气体分子的吸收谱线强度比较21-22
• 2.3 气体分子的吸收强度与线宽22-29
• 2.3.1 气体吸收规律22-23
• 2.3.2 气体分子吸收谱线的强度23-26
• 2.3.3 气体分子吸收谱线的带宽26-29
• 3 红外吸收性CH4气体检测29-41
• 3.1 引言29
• 3.2 差分吸收检测技术29-32
• 3.2.1 单波长双光路法30-31
• 3.2.2 双波长单光路法31-32
• 3.3 光谱吸收的增强技术32-37
• 3.3.1 Ring-down腔光程增强方法32-34
• 3.3.2 P- F腔调频增强方法34-37
• 3.4 微弱信号的检测37-41
• 3.4.1 窄带滤波法37-38
• 3.4.2 同步累积法38-39
• 3.4.3 锁定接收法39
• 3.4.4 取样积分法39-41
• 4 光学系统设计41-47
• 4.1 光路设计41
• 4.2 红外辐射光源41-43
• 4.3 探测器43-45
• 4.4 红外滤光片45-47
• 5 系统的硬件电路设计及软件开发47-58
• 5.1 光源电路设计及温度补偿47-50
• 5.1.1 光源的调制及驱动电路47-49
• 5.1.2 温度补偿技术49-50
• 5.2 信号处理电路设计50-53
• 5.2.1 滤波放大电路设计50-51
• 5.2.2 A/D转换电路设计51-53
• 5.3 微处理单元电路53-55
• 5.4 数码显示及声光报警电路设计55-56
• 5.5 计算机通信接口设计56
• 5.6 无线传输模块设计56-58
• 6 甲烷传感器的调整与实验58-65
• 6.1 试验准备与调整58-61
• 6.1.1 气体配置58-60
• 6.1.2 光路调整60-61
• 6.2 甲烷气体吸收实验61-65
• 6.2.1 试验系统的标定61-63
• 6.2.2 精度分析63-64
• 6.2.3 稳定性分析64-65
• 7 总结与展望65-66
• 参考文献66-71
• 致谢71-72
• 攻读学位期间已发表的学术论文及科研成果72-73
• 附录A 滤波放大电路73

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