多点光纤甲烷浓度监测系统的研究与开发

论文摘要

在煤矿生产中,随着煤层采动,往往会涌出矿井瓦斯。它与空气混合,当其体积百分比为3.5%～16%时,遇明火就会发生爆炸,给矿井的安全生产带来巨大的威胁。因此,对瓦斯进行实时监控在矿井通风系统中显得非常重要,要实现瓦斯监控的自动化、智能化,高性能的传感器是不可缺少的条件。光纤气体传感技术是一项正在发展中的新型高新技术,以其特有的优良性能在工业生产、环境监测和医学等领域具有广阔的应用前景。近些年来,随着光纤传感技术的发展,光纤气体传感器的研究在国内外均受到广泛的重视。光纤气体传感器以光为测量信号的载体,对被测对象不产生影响,其自身独立性好,可适应各种使用环境,由其组成的光纤传感系统便于与中心计算机连接,可实现多功能、智能化的要求,可与光纤遥测技术相配合实现远距离测量与控制。根据我国煤矿中存在的问题,本文在分析煤矿监测系统的发展趋势、可靠性及其特点的基础上,提出一种以数字信号处理器为核心,以控制局域网现场总线为各现场设备之间的通信网络,监控模块与计算机之间采用调制解调器通过电话线相连接组成串行远程通信网络的解决方案。以甲烷为目标气体,研究了基于近红外光谱吸收方法的全光纤传感器。以SLED作光源,以宽带光源差分吸收、谐波检测方法为理论基础,结合以锁相放大器为核心的微弱信号检测电路实现对甲烷气体的浓度测。根据实验室现有的实验条件和仪器设备,对所设计系统的进行实验研究,实验结果验证了系统的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 气体传感器的发展与现状
• 1.2.1 气体传感的研究现状
• 1.2.2 光纤气体传感技术
• 1.2.3 光纤气体传感器的分类
• 1.2.4 吸收式光纤气体传感器的发展
• 1.3 课题研究的目的和意义
• 1.4 课题的来源及主要内容
• 第二章 吸收式光纤甲烷浓度检测技术
• 2.1 光谱吸收型光纤气体检测原理
• 2.1.1 气体分子近红外选择吸收
• 2.1.2 甲烷吸收谱线选择
• 2.2 光谱吸收型气体检测方法
• 2.2.1 差分检测方法
• 2.2.2 谐波检测方法
• 2.2.3 方案选择
• 2.3 本章小结
• 第三章 系统硬件设计
• 3.1 系统网络功能及组成
• 3.1.1 甲烷光纤监测网络系统功能
• 3.1.2 甲烷光纤监测网络系统组成
• 3.1.3 网络通讯方案
• 3.2 光纤传感器部分设计
• 3.2.1 甲烷多点传感结构设计
• 3.2.2 光源的选择及控制电路
• 3.2.3 探头设计
• 3.3 监测单元设计
• 3.3.1 监测单元及其外围电路组成
• 3.3.2 监测单元串行接口电路
• 3.3.3 监测单元 CAN总线设计
• 3.4 监测点硬件电路
• 3.4.1 步进电机驱动电路
• 3.4.2 锁相放大器
• 3.4.3 数据采焦
• 3.5 本章小结
• 第四章 系统软件设计
• 4.1 系统软件设计方案
• 4.2 监测计算机软件设计
• 4.2.1 监测计算机软件功能
• 4.2.2 监测计算机程序设计
• 4.2.3 MODEM的软件控制
• 4.3 监测单元软件设计
• 4.3.1 监测单元软件功能
• 4.3.2 监测单元主程序设计
• 4.3.3 监测单元通信软件设计
• 4.3.4 监测单元 CAN总线通信设计
• 4.3.5 监测单元数据处理软件设计
• 4.4 监测点软件设计
• 4.4.1 监测点数据采集程序设计
• 4.4.2 数据采集处理子系统间的数据交换
• 4.4.3 锁相放大器的远程控制
• 4.5 本章小结
• 第五章 系统实验和分析
• 5.1 系统所需主要元器件参数
• 5.2 光纤链路损耗实验
• 5.3 甲烷气体吸收实验
• 5.4 示值对比实验
• 5.5 重复性实验
• 5.6 误差分析
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献