HHT算法在EFPI光纤瓦斯监测系统中的研究

发布时间：2017-10-03 06:39

  本文关键词：HHT算法在EFPI光纤瓦斯监测系统中的研究

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【摘要】：随着我国经济的飞快发展,以及煤矿开采技术、开采工艺的不断提高,矿区的开采深度逐步加深,导致煤矿瓦斯灾害不断增加,安全上的隐患也越来越多。设计一种检测效果好、满足煤矿安全生产的瓦斯浓度监测系统,以减少瓦斯爆炸事故的发生,保障井下安全作业。传统非光学瓦斯气体传感器存在响应慢、寿命短、检测精度低等缺点,并且难以实现较大区域的连续实时检测。利用光学方法检测瓦斯气体已经是一个被广泛认可的有效检测办法,各种光纤传感器在煤矿瓦斯安全检测中成为大家的首选,也在煤矿生产中发挥了巨大的作用。从根本上解决煤矿安全事故问题,实现煤矿长期发展。 本文构建了一种基于HHT算法的EFPI光纤瓦斯监测系统,实现了气体的测量。首先详细的介绍了光纤EFPI传感技术的原理和解调方法,再简要介绍了HHT算法的基本理论、结构和应用。然后给出了瓦斯监测系统的总体结构,采用MXSLD-CS65M5A型号的激光器、改进型EFPI传感器、测量气室等器件,分别进行了介绍,设计以STM32F103VE为核心的硬件结构,系统采用μc/os-Ⅱ作为操作系统。最后搭建实验室平台,通过MATLAB仿真进行模拟解调,使用HHT算法从EFPI干涉光谱提取信息,得到滤波后的EFPI光谱信息,并采用双峰算法解调出EFPI腔长的信息。 实验结果表明,通过仿真及数值分析,HHT算法解决了原始干涉光谱信号的非平稳、非线性的缺点,经一系列变化去除噪声,减弱了数据处理的难度,增加了瓦斯信号分析的精度。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】：瓦斯 光纤传感 EFPI HHT 光谱检测
【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
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 1 绪论14-20
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 国内外发展现状15-18
• 1.1.1 光纤气体传感技术的发展现状15-16
• 1.1.2 HHT算法的发展现状16-18
• 1.3 本论文研究的意义18
• 1.4 本论文主要的主要工作18-20
• 2 光纤EFPI传感器20-36
• 2.1 光纤传感器20-23
• 2.1.1 光纤传感器工作原理20
• 2.1.2 光纤气体传感器的分类20-23
• 2.2 非本征法布里-珀罗干涉23-26
• 2.2.1 光纤传感器中的光学原理23-24
• 2.2.2 非本征型F-P光纤干涉仪24-26
• 2.3 光纤EFPI传感器基本原理26-28
• 2.3.1 光纤F-P腔的结构工作原理26-27
• 2.3.2 F-P腔的光强损耗分析27-28
• 2.4 光纤EFPI传感器解调技术28-34
• 2.4.1 强度解调方法28-31
• 2.4.2 相位解调算法31-34
• 2.5 本章小结34-36
• 3 HHT的基本理论及其应用36-48
• 3.1 基本概念36-37
• 3.1.1 信号分类36
• 3.1.2 时频分析36-37
• 3.2 传统时频分析方法37-41
• 3.2.1 Fourier变换37-38
• 3.2.2 短时Fourier变换38-39
• 3.2.3 Wigner-Ville变换39-40
• 3.2.4 小波变换40-41
• 3.3 HHT基本理论41-47
• 3.3.1 经验模态分解与本征模态函数42-43
• 3.3.2 Hilbert变换43-44
• 3.3.3 Hilbert谱分析44-45
• 3.3.4 Hilbert变换存在的一些问题45-47
• 3.4 基于HHT算法的FEPI光纤瓦斯信号的分析47
• 3.5 本章小结47-48
• 4 EFPI光纤瓦斯监测系统的总设计48-56
• 4.1 系统的整体结构框架48
• 4.2 基于EFPI光纤传感器的瓦斯监测系统的关键器件48-55
• 4.2.1 系统光源48-49
• 4.2.2 激光器49-51
• 4.2.3 光学传感气室51-52
• 4.2.4 光电探测器52-54
• 4.2.5 光电信号检测电路54
• 4.2.6 A/D数据采集54-55
• 4.3 本章小结55-56
• 5 EFPI光纤瓦斯监测系统的软硬件设计56-66
• 5.1 系统硬件核心结构56
• 5.2 ARM芯片的介绍及选型56-58
• 5.3 STM32外围电路设计58-62
• 5.3.1 电源电路58-59
• 5.3.2 时钟与复位电路59-60
• 5.3.3 CAN和USB接口电路60
• 5.3.4 JTAG调试接口60-61
• 5.3.5 串行电路61-62
• 5.4 软件平台选型62-65
• 5.4.1 嵌入式系统软件设计流程62-64
• 5.4.2 uc/os-Π操作系统简介及组成部分64
• 5.4.3 uc/os-Π的移植64-65
• 5.5 本章小结65-66
• 6 实验室平台搭建模拟66-76
• 6.1 高分辨率光谱分析实验系统搭建66-67
• 6.2 模拟EFPI光谱信号进行HHT算法测试67-71
• 6.3 与其他滤波算法的比较71-74
• 6.4 本章小结74-76
• 7 总结与展望76-78
• 7.1 论文总结76
• 7.2 展望76-78
• 参考文献78-82
• 致谢82-84
• 作者简介和读研期间主要科研成果84

【参考文献】

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本文编号：963707