白光EFPI传感系统解调机理的研究

发布时间：2017-05-11 18:14

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【摘要】：我国许多大型煤矿随着开采工艺的不断改进和规模不断扩大以及开采深度的延伸,煤层瓦斯涌出量越来越大,高瓦斯矿井越来越多,瓦斯事故在煤矿事故中占的比例越来越高。针对煤矿瓦斯事故的频发,研究井下瓦斯气体浓度的监测,采用基于非本征法布里-珀罗干涉(EFPI)技术,对EFPI光纤传感器的光谱域白光干涉解调机理进行深入研究,提出能够实现光纤传感技术中的传感信息高分辨率、大动态范围测量、不受光源波动及传输光纤扰动等干扰因素影响的光谱域解调技术。 光谱域白光干涉解调机理的研究主要从总体检测机理框图设计,解调算法、降噪算法、数据处理算法等最优算法研究,光路复用和新型材料应用技术研究等方面,应用了快速傅里叶变换、波长域解调算法、腔长域解调算法以及相关函数等算法作为信号解调算法,小波变换、归一化和希尔伯特-黄算法作为降噪算法,同时将膜计算应用到多传感器并行数据处理当中,设计了自聚焦透镜的气体传感器气室和采用空分复用结合时分复用技术的光路系统实现高精度光路复用降低了系统成本,并有效的避免了井下恶略环境中各种干扰的影响,解决了EFPI光纤传感检测瓦斯技术中对光源功率波动和光纤传输损耗的变化敏感、测量分辨率低动态范围小、有效信号难以提取、数据处理效率低下、系统成本高易受干扰等问题。 结果表明采用光谱域白光干涉解调机理模型的EFPI光纤传感瓦斯检测系统,能够实现32路(可扩展)的瓦斯在线实时检测,精确度可达5ppm,并且能消除瓦斯气体浓度测量中的各种干扰,得到精确的测量结果,能够很好在井下恶劣环境中测量瓦斯气体浓度,可实现全光纤测量,井下只有光纤信号无电信号,其安全性极高,抗干扰能力强,适宜于易燃、易爆等环境。通过对光纤传感瓦斯的研究,实现煤矿瓦斯监测的新方法,对于指导煤矿安全生产具有重大意义。
【关键词】：光纤传感 瓦斯 EFPI 光谱域白光干涉 解调机理
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712.55;TP212
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-13
• 1 绪论13-17
• 1.1 选题背景和研究意义13
• 1.2 国内外研究现状13-15
• 1.2.1 煤矿瓦斯监测的传统方法13-14
• 1.2.2 新型光纤传感瓦斯气体浓度的方法14-15
• 1.3 本文的主要研究内容及任务15-16
• 1.3.1 研究的主要目的15
• 1.3.2 研究的主要内容15-16
• 1.3.3 本课题的主要任务16
• 1.4 论文的结构安排16-17
• 2 白光EFPI传感系统原理17-27
• 2.1 光谱吸收检测的一般原理17-18
• 2.2 EFPI的原理及在瓦斯检测中的应用18-22
• 2.3 光谱域白光解调机理22-25
• 2.4 本章小结25-27
• 3 白光EFPI传感系统构造27-35
• 3.1 光源27-28
• 3.2 气室及光路结构28-30
• 3.2.1 自聚焦透镜气室28-29
• 3.2.2 时分与空分复用结构29-30
• 3.3 传感器30-32
• 3.4 光谱分析设备32-34
• 3.4.1 光电探测器32-33
• 3.4.2 光谱分析实验平台33-34
• 3.5 本章小结34-35
• 4 光谱域白光解调机理的解调算法研究35-53
• 4.1 波长域解调方法35-37
• 4.1.1 波长域解调算法的随机误差分析35-37
• 4.1.2 波长域解调算法的系统误差分析37
• 4.2 腔长域解调方法37-44
• 4.2.1 白光源下EFPI输出信号的傅立叶特性37-39
• 4.2.2 DFT解调方法39-42
• 4.2.3 DGT解调方法42-44
• 4.3 基于相关函数的光谱域解调技术44-51
• 4.3.1 相关函数法测量F-P腔长的可行性分析44-47
• 4.3.2 相关运算的离散化47
• 4.3.3 离散相关的快速算法47-48
• 4.3.4 相关运算的模拟分析48-51
• 4.4 本章小结51-53
• 5 光谱域白光解调机理的降噪算法研究53-63
• 5.1 归一化处理53
• 5.2 傅立叶变换分析53-56
• 5.3 小波变换分析56
• 5.4 希尔伯特—黄变换分析56-61
• 5.5 本章小结61-63
• 6 多点瓦斯检测系统搭建63-75
• 6.1 多点瓦斯检测系统的网络模型63-64
• 6.2 多点瓦斯检测系统的数据处理64-72
• 6.2.1 基于膜计算的并行数据处理64-68
• 6.2.2 基于HHT算法的数据预处理68-72
• 6.3 本章小结72-75
• 7 论文总结及工作展望75-77
• 7.1 工作总结75
• 7.2 展望75-77
• 参考文献77-81
• 致谢81-83
• 作者简介83

【参考文献】

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本文编号：357808