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物联网-智慧传输-基于波长调制技术的甲烷光纤传感系统研究.pdf
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物联网-智慧传输-基于波长调制技术的甲烷光纤传感系统研究.pdf
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ABSTRACT
With the rapid development of society and science technology, more and more
gaseous energy is widely used in people's production and living. Achieving real-time
concentration monitor for flammable and explosive gas in sensitive areas is very
important for protecting people's life and property effectively. With the rapid
development of distributed feedback (DFB) semiconductor laser and fiber-optic
communication technology, fiber gas sensing technology based on tunable diode laser
spectroscopy (TDLAS) and wavelength modulation spectroscopy (WMS) is gradually
attracting more and more attention of researchers. TDLAS technology is a
high-sensitive spectrum detection technology, which have a lot of advantages, such as
high sensitivity, strong anti-noise performance, high precision, fast response, easy to
implement remote measurement and so on. TDLAS technology is now widely used in
the field of gas detection and weak signal detection.
Based on the theoretical guidance of WMS, this article carry out a detailed
analysis of harmonic detection theory. According to the ways of formula derivation
and software emulation, gas absorption theory and wavelength modulation theory
were researched. The wavelength modulation and gas absorption process of signal
was simulated by system modeling and we acquired the first harmonic signal and the
second harmonic signal waveform. In hardware implementation, the article elaborate
circuit board design and implementation process of the system, which include the
semiconductor laser diode driving circuit and signal modulation circuit based on
operational amplifier, the sine wave and triangular wave generating circuit, the
photoelectric detection circuit based on MAX4008, the signal frequency multiplier
circuit based on AD734, TEC temperature control circuit of semiconductor laser
based on LTC1923, low-pass filter and band-pass filter circuit and lock-in amplifier
circuit based on AD630, etc. At last, the emulation and debugging verification of these
circuits were carried out.
Key words:wavelength modulation; weak signal detection; lock-in amplifier; laser
diode driving circuit
I
目 录
目 录 ............................................................................................................................ I
第一章 绪论 .................................................................................................................. 1
1.1 引言 ........................................................................................................... 1
1.2 课题研究的背景和意义 ........................................................................... 2
1.3 甲烷气体检测研究现状 ........................................................................... 3
1.4 本文的主要结构安排 ............................................................................... 3
第二章 波长调制技术理论分析 .................................................................................. 5
2.1 甲烷气体吸收带的选择 ........................................................................... 5
2.2 波长调制光谱学(WMS) ...................................................................... 7
2.3 相敏检波技术 ........................................................................................... 8
2.4 谐波探测理论 ......................................................................................... 11
2.5 本章小结 ................................................................................................. 14
第三章 系统级模型仿真 ............................................................................................ 15
3.1 基于 Fourier 变换理论的谐波信号仿真分析........................................ 15
3.2 基于 Matlab 的谐波探测系统仿真分析 ................................................ 17
第四章 基于波长调制技术的检测系统电路设计 .................................................... 25
4.1 系统框图 ................................................................................................. 25
4.2 半导体激光器驱动电路设计 ................................................................. 26
4.3 光电探测电路 ......................................................................................... 27
4.4 正弦波发生电路 ..................................................................................... 28
4.4.1 RC 桥式正弦波振荡电路 ............................................................. 28
4.4.2 加入非线性环节的 RC 桥式正弦波振荡电路 ........................... 29
4.4.3 MAX038 信号发生器 ................................................................... 29
4.5 三角波发生电路 ..................................................................................... 33
4.5.1 滞回比较器 ................................................................................... 34
4.5.2 积分电路 ....................................................................................... 35
4.5.3 硬件实现 ....................................................................................... 37
II
4.6 倍频电路 ................................................................................................. 38
4.7 温度控制电路 ......................................................................................... 40
4.8 带通滤波器 ............................................................................................. 42
4.9 锁相放大器 ............................................................................................. 45
4.9.1 相敏检波电路 ............................................................................... 45
4.9.2 低通滤波电路 ............................................................................... 47
4.10 Protel 原理图 .......................................................................................... 50
4.11 本章小结 ............................................................................................... 52
第五章 总结和展望 .................................................................................................... 53
5.1 课题总结 ................................................................................................. 53
5.2 工作展望 ................................................................................................. 54
参考文献 ...................................................................................................................... 55
发表论文和参加科研情况说明 .................................................................................. 59
致 谢 .......................................................................................................................... 60
第一章 绪论
1
第一章 绪论
1.1 引言
长期以来,由于作业环境恶劣和监测技术水平落后等原因,我国的煤炭事故
发生率长期处于较高水平,瓦斯爆炸是构成矿井底下工作人员生命安全的主要威
胁,所导致的人员伤亡数在特大事故伤亡人数中占很大比重。近些年来,国家出
台了各种法律措施来应对矿井安全问题,使得矿井事故发生率明显下降,矿井事
故预防的有效手段之一就是布设甲烷浓度传感系统,对矿井底下甲烷气体浓度进
行实时的监测。由于甲烷的爆炸是需要一定条件的,即要求浓度值达到 5%以上
[1]
,如果能够在甲烷气体还处于低浓度的情况下提前做好预测和应对措施,就能
够有效地保证人员和财产的安全,从保障人员安全的角度出发,开发一款实时甲
烷气体浓度监测系统具有重要的意义
[2,3]
。
随着人类对大自然的不断持续开发,煤炭、石油等燃料被大规模开采利用,
大量能源被供应到了人们生活中的方方面面;与此同时,人类活动对能源的巨大
消耗给大自然带来了严重的灾难,排放到大气中的二氧化碳总量剧增,使得地球
温度上升,产生温室效应,破坏了原有的生态平衡。同大气环境中的二氧化碳气
体相比,甲烷气体所占的比重并不大,然而甲烷气体对红外线的吸收能力是二氧
化碳的 15~30 倍,导致甲烷气体对温室效应的贡献量占到 26%
[4,5]
,成为地球温
室效应的主要贡献者之一。而且,大气中的甲烷气体总量还在以每年 1%的速度
持续上升
[6,7]
,从环境保护的角度出发,做好温室气体浓度的监测工作,对于党
和国家合理出台控制温室气体排放的政策法规将具有指导意义。
煤矿中通常使用的甲烷气体传感器是催化剂燃烧技术类型的传感系统,这种
气体传感器有很多不足,它的监测周期短,工作稳定度差,探测范围窄。在气体
传感领域中,光纤气体传感器是一种新型的传感器类型,是光通信产业迅速发展
背景下的一个产物。光纤传感技术是根据待检测气体对特定波长光源具有吸收作
用的特点,通过对光源谐波信号分析而得到气体浓度信息的一门科学。甲烷气体
分子的泛频和组合频吸收峰落在 0.8-1.7μm 的近红外区域内,而近些年来,一些
近红外光学器件发展成熟,通信用近红外半导体激光器和光纤等的研制成熟使得
针对光纤气体传感理论的研究得到了广泛的发展。
第一章 绪论
2
1.2 课题研究的背景和意义
自改革开放以来,我国在经济、文化、国防和综合国力等方面都取得了显著
进步,随着我国工业和科技的不断发展,人民生活水平的显著提高,社会发展的
方方面面都在向现代化国家的标准看齐,而现代化国家的发展目标也对能源需求
提出了更高的要求。“十五”期间,我国煤炭产量由 2000 年的 12.99 亿吨增长到
2005 年的 21.9 亿吨,巨大的“数字”为国民经济的快速发展提供了有力保障。
但与此同时,粗放式的发展方式和速度至上的发展理念付出了煤炭行业年均死亡
6000 多人的代价
[8]
。随着经济的不断发展和人民生活水平的不断提高,在能源过
渡开采和能源利用率低下的情况下,国家提出了可持续发展战略,相继出台了各
种法规政策,对能源消耗高、能源利用率低和大气环境污染严重的行业进行了整
治措施,取得了显著成效。
随着经济的持续发展和煤炭石油等传统能源物质的巨大消耗,全球逐渐面临
着一个共同的问题:气候变暖问题。甲烷作为主要的温室气体之一,温室效果比
二氧化碳更加突出,据报道,某些冰川底下蕴藏着大量的甲烷,如果大气温度持
续上升,冰川持续融化,更多的甲烷将会被释放进大气,由此形成恶性循环,到
那时人类将会面临非常棘手的问题。因此,如何改善我们的大气环境,创造一个
可持续发展的生存环境,已经是摆在我们人类面前的一道难题。
甲烷是瓦斯气体的主要构成成分,作为易燃易爆气体,甲烷对矿井底下工作
人员的生命安全构成极大威胁,应该做好充分的预防措施,其中有效的预防手段
之一就是做好甲烷浓度的实时监测工作。由于甲烷发生爆炸需要浓度达到 5%以
上,如果能够在甲烷浓度较低的情况下做好预测和处理措施,就能够有效地保证
人员的生命财产安全。
在我们的生存环境中,甲烷是一种非常重要的气体,它是天然气的主要成分,
已经被广泛应用于人们的日常生活之中,为人们的生产生活提供了巨大的能源帮
助。然而,甲烷是大气环境中主要的温室气体成分之一,它比二氧化碳拥有更加
强大的红外线吸收能力,为温室效应贡献了 26%
[9]
;甲烷还是易燃易爆气体,给
人们的生产生活带来严重的生命财产安全威胁,从安全的角度出发,在化工厂、
气体输送管道周围、矿井和易地震地带,实现甲烷气体的实时浓度探测意义重大。
事实说明,不论是在保障人员财产安全还是环境保护方面,开发一款甲烷气
体浓度的实时传感系统都具有重要的现实意义,本文详细介绍了基于波长调制技
术的甲烷浓度实时检测系统的理论分析和硬件设计过程,为气体检测理论和谐波
探测理论的研究提供了参考和借鉴价值。
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