自适应红外瓦斯检测系统的研制

发布时间：2020-10-14 23:10

　　 在井下煤矿开采的过程中易发生瓦斯突出,主要成分是甲烷,当其达到爆炸极限(4.9%~16%)时,遇明火即可引发爆炸。因此,及时、准确的检测甲烷浓度,可以有效的避免矿难事故。目前用于检测甲烷的方法有多种,而红外吸收法具有灵敏度高、选择性好、响应速度快、寿命长、成本低和零点漂移小等优点。所以,研制高灵敏度的红外瓦斯检测仪具有现实意义。然而,在矿井下存在许多统计特性未知的噪声,比如矿井中骤变的背景光、温度、气流、风等因素,针对这些噪声,本文在传统红外瓦斯检测技术的基础上,引入了一种现代滤波方法——自适应滤波技术,通过对噪声的统计特性进行估计,实时调整滤波器的参数,从而能更好的消除噪声,实现对甲烷浓度的精准测量。本论文首先给出了双重差分红外吸收光谱技术的原理,并设计了系统的光学部分以及气室结构。接着研究了自适应红外气体检测算法和模型,利用MATLAB,对LMS(最小均方误差)和FTF(快速横向滤波)两种自适应滤波算法进行了仿真分析。由于FTF自适应滤波算法的显著优势,本文设计的自适应检测系统选用了FTF自适应滤波算法。然后提出了基于双光源和双探测器的四通道自适应红外瓦斯检测系统,设计并制作了检测系统整体的硬件部分,包括:光路、硬件电路、数据采集卡和工控机。随后设计了检测系统的软件程序,利用LabVIEW软件以及其包含的DAQ助手、MathScript节点等模块设计了两套Lab VIEW程序,分别用于传统红外甲烷浓度测量,以及存在突变噪声情况下的自适应红外甲烷浓度测量。最后将软硬件集成,形成了基于数据采集卡、工控机和Lab VIEW(内嵌MATLAB)算法平台一体化的AS-WJC型自适应红外瓦斯检测系统,并分别进行了有干扰和无干扰实验环境的气体检测实验。对于无环境干扰的气体检测实验,在0~40000 ppm量程内,获得的标定曲线拟合度为99.838%,检测仪的相对满量程测量误差2%F.S.,在0 ppm浓度时,相对满量程波动范围0.925%F.S.。对于存在环境干扰的气体检测实验,相同测量范围内,标定曲线拟合度为99.606%,检测仪的相对满量程测量误差3%F.S.,在0 ppm浓度时,相对满量程波动范围1.2%F.S.。实验结果表明,通过对仪器进行本安化设计,本论文研制的自适应红外瓦斯检测系统可应用于矿井下甲烷浓度的检测中。本论文的主要创新点如下:一、改进了传统的差分气体检测方法,提出了硬件、软件相结合的双重差分红外吸收光谱技术。二、在传统的红外瓦斯检测系统中引入了现代滤波技术——FTF自适应滤波技术,取代了检测仪中传统的滤波方法,更好的滤除矿井下统计特性无法估计的突变噪声。三、集成了基于数据采集卡、工控机和LabVIEW算法平台的AS-WJC型自适应红外瓦斯检测系统。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TD712.3;TN216
【部分图文】：

图 1.1 文献[37]中系统结构框图国科研工作者设计出了 Premier 系列红外气体检，分辨率可实现 100 ppm[38]。2011 年，A. Vice测仪，其光源使用的是双向锑激光二极管，该甲9]。2012 年，王利军带领半导体研究所的科研团研发工作，利用光声光谱技术，以及团队自主兹谐振腔，成功研制出了性能优越的甲烷检测系

图 1.1 文献[37]中系统结构框图，英国科研工作者设计出了 Premier 系列红外气体检测10%，分辨率可实现 100 ppm[38]。2011 年，A. Vicet 等检测仪，其光源使用的是双向锑激光二极管，该甲烷pm[39]。2012 年，王利军带领半导体研究所的科研团队的研发工作，利用光声光谱技术，以及团队自主研制霍兹谐振腔，成功研制出了性能优越的甲烷检测系统示。经过反复甲烷气体实验，该检测系统的最低检 [40]。

第二章 红外气体检测原理与光学系统组成窗口（3.31 和 3.95 ）后，2%的 H2O 分子吸收CH4分子吸收程度相比，几乎可以忽略不计，因此它响。对比图 2.2(a)和(b)可以看出，CH4在波长为 3.31.95 时的 1000 多倍，因此可以将滤波波长为 3.95量的参考通道，用于消除环境背景噪声。
【参考文献】

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1 吕瑞红;宋楠;宋芳;叶玮琳;郑传涛;王一丁;;基于虚拟信号处理平台的差分式中红外甲烷检测系统[J];光电子.激光;2013年07期

2 谭松;刘万峰;王利军;张锦川;李路;刘俊岐;刘峰奇;王占国;;基于中红外分布反馈量子级联激光器的光声光谱技术用于痕量甲烷气体检测[J];光谱学与光谱分析;2012年05期

3 闫海燕;;光干涉式甲烷测定器的原理及换算方法[J];计量与测试技术;2009年10期

4 张宇;王一丁;李黎;郑传涛;安宇鹏;宋振宇;;甲烷红外吸收光谱原理与处理技术分析[J];光谱学与光谱分析;2008年11期

5 夏慧;刘文清;张玉钧;阚瑞峰;王敏;何莹;崔益本;阮俊;耿辉;;An approach of open-path gas sensor based on tunable diode laser absorption spectroscopy[J];Chinese Optics Letters;2008年06期

6 罗伟栋;肖光华;方勇;;基于LabVIEW的LMS自适应滤波器的设计及其应用[J];上海大学学报(自然科学版);2007年04期

7 林彬;;载体催化元件恒温检测甲烷浓度的研究[J];电子科技大学学报;2006年04期

8 刘中奇,王汝琳;基于红外吸收原理的气体检测[J];煤炭科学技术;2005年01期

9 李一兵,岳欣,杨莘元;多重自相关函数在微弱正弦信号检测中的应用[J];哈尔滨工程大学学报;2004年04期

10 寇云起;;气敏元件传感器技术发展状况及“十五”发展建议[J];中国电子商情;2002年10期

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2 周南权;基于红外成像光学系统的光源设计研究[D];重庆大学;2008年

本文编号：2841326