基于光谱吸收的甲烷浓度检测系统研究

作     者：王嵩 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：任建华

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 

主      题：甲烷浓度 光谱吸收 二次谐波 检测模块 信号处理 

摘      要：煤炭行业一直是我国的支柱型产业。近年来,随着天然气、电力等清洁能源的广泛使用,煤炭产业面临转型,虽然生产开采设备日趋先进和自动化,但是煤矿瓦斯爆炸事故发生率一直很高。甲烷是煤矿瓦斯中的主要成分,具有易燃易爆等特点,同时甲烷也会产生温室效应,因此甲烷气体浓度的实时监测对于安全生产和环境保护都具有重要意义。本论文基于气体的光谱吸收原理,应用二次谐波检测方法设计甲烷浓度检测系统,对其理论原理和关键技术进行了研究分析,并对设计的检测系统进行实验测试。本论文的主要工作和成果如下:(1)研究甲烷的可行性检测方案。分析了光谱吸收原理和二次谐波检测方法,确定了甲烷吸收谱线及各项参数,选择甲烷波长在1.66μm处进行测量,并基于MATLAB软件对二次谐波信号进行仿真,验证了检测方案的可行性和优越性。(2)检测模块的设计。对于设计的检测系统中的光源选择和气室设计方面,目前技术已经相对成熟,具有很好的借鉴价值。对于检测模块则进行了深入分析研究,设计了误差更小,性能更加稳定的检测模块,包括基于NE5532的高频正弦信号产生电路、基于MAX1968的温控电路、基于AD8065的前置放大电路、基于UAF42的滤波电路、基于AD630的双相锁相放大器电路和基于AD637的二次谐波幅值计算电路。并且单独设计了基于TPS65130的供电电路,电压范围-9V至+9V,提供稳定电压源,各检测模块电路均基于此电压范围设计,保证了整体检测性能的稳定。(3)信号处理模块设计。基于LabVIEW软件设计了简单的信号处理模块,软件与硬件充分结合,DAQ数据采集卡采集二次谐波幅值数据传入计算机处理,气体浓度直接显示在图形界面上,更加方便和人性化。(4)系统实验测量。将检测系统的各个模块连接在一起进行测量实验,包括二次谐波幅值与甲烷浓度实验等相关实验,获得了大量的实验测试数据,对数据进行作图分析并与标准值比较。设计的检测系统从理论和实验上验证了系统的可行性,而且其准确性更好,误差更小。