基于红外差分检测的甲烷气体传感器研制

【摘要】：甲烷是一种易燃易爆气体,是矿井瓦斯及天然气等多种气体燃料的主要成分。它广泛存在于地质煤层中,是威胁煤矿安全的第一因素。因此,研究一种检测方法,实时准确地检测甲烷浓度,对煤矿安全运行有重要意义。 到目前为止,检测甲烷气体浓度的方法有很多种,国内使用的检测方法主要有：催化元件法、热传导法、光干涉法和红外光谱吸收法。红外光谱吸收法是近几年来发展起来的一种新方法,它是由光谱分析技术发展的产物。利用这种原理所研制的瓦斯传感器可以克服现役传感器固有的缺陷,实现反应快、寿命长、调校周期长等技术目标。用红外吸收法检测甲烷气体浓度时,误差的补偿是提高检测精度的核心。通常采用各种差分的方法来进行误差补偿,提高检测精度。 本文基于红外差分检测原理,设计了一种双波长差分甲烷传感器。利用旋转滤光盘控制滤波和光的通过,使测量光和参考光分时通过光路,实现了单光源单光路单探测器结构。这种结构消除了光源功率波动、光路损耗以及探测器的不稳定带来的误差,提高了检测精度。本文所做的工作主要有： (1).阐述了检测甲烷气体浓度常用的几种检测方法,对比分析了几种方法的优缺点,并重点介绍红外光谱吸收法测甲烷的检测机理。 (2).介绍了红外法补偿误差常用的谐波检测法和差分吸收法。重点分析几种常用的差分检测方法,经过对比,选择时间双波长差分法作为检测方法。 (3).介绍了改进的双波长差分甲烷气体传感器的设计方案。传感器采用一个四位的波长转换装置,实现了单光源单光路单探测器结构,消除了探测器不稳定带来的误差。设计的半开放式多光路反射气室,可方便地动态调节系统灵敏度。 (4).采用标准气体对传感器进行了浓度标定,用MATLAB软件对得到的测量结果进行三项式拟合的运算,得到三项拟合式。进行了示值对比实验和稳定度实验,并对实验结果进行分析。 【关键词】：甲烷 气体传感器 红外光谱吸收 差分
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 课题研究目的及意义10
• 1.2 甲烷气体检测研究现状10-15
• 1.2.1 催化元件法10-12
• 1.2.2 热传导式12-13
• 1.2.3 光干涉法13-14
• 1.2.4 光谱吸收法14-15
• 1.3 光纤和非光纤传感器15-16
• 1.4 红外光谱吸收法测甲烷的特点16-17
• 1.5 课题来源及论文的主要研究内容17-18
• 第二章 红外甲烷气体传感器检测原理18-24
• 2.1 气体分子选择吸收理论18
• 2.2 朗伯比尔定律18-20
• 2.3 气体分子的吸收谱线20-23
• 2.3.1 分子能级结构20-21
• 2.3.2 甲烷的吸收光谱21-23
• 2.4 本章小结23-24
• 第三章 红外甲烷气体传感器检测方法24-32
• 3.1 谐波检测法24-27
• 3.2 差分吸收法27-30
• 3.2.1 单波长差分法27-28
• 3.2.2 双波长差分法28-29
• 3.2.3 时间双波长差分法29-30
• 3.3 本章小结30-32
• 第四章 甲烷气体传感器设计方案32-46
• 4.1 引言32
• 4.2 传感器总体方案设计32-33
• 4.3 传感器光源的选择33-36
• 4.3.1 吸收谱线的选择33-34
• 4.3.2 光源的选择34-36
• 4.4 旋转滤光盘36
• 4.5 传感气室的设计36-41
• 4.5.1 单光路吸收气室37-38
• 4.5.2 多光路吸收气室38-40
• 4.5.3 气室设结构计40-41
• 4.6 光电探测器41-43
• 4.6.1 光电子发射探测器42
• 4.6.2 光电导探测器42-43
• 4.6.3 光伏探测器43
• 4.7 传感器工作原理43-44
• 4.8 数据处理系统44-45
• 4.9 本章小结45-46
• 第五章 传感器浓度标定与实验46-52
• 5.1 浓度标定方法46-47
• 5.1.1 线性插值法46-47
• 5.1.2 多项式拟合法47
• 5.2 浓度标定实验47-49
• 5.3 示值对比试验49-50
• 5.4 稳定度实验50-51
• 5.5 本章小结51-52
• 第六章 总结与展望52-53
• 参考文献53-56
• 致谢56-57
• 研究生期间发表的学术论文57

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