基于光声光谱技术的甲烷浓度检测关键性技术研究
甲烷气体浓度检测对于煤矿安全生产、输气管线安全运行检测、环境保护等具有重大意义。基于光声光谱技术的气体传感检测技术具有实时性、灵敏度高、寿命长、选择性好等优点，具有重要的理论和实用价值。本文在对光声光谱气体检测原理、光声池和光纤声波传感器的设计与优化以及信号检测等关键技术研究的基础上，搭建了基于光声光谱的甲烷浓度检测系统，实现了对甲烷浓度的检测。主要研究内容如下: 首先，介绍了甲烷浓度检测的研究意义和目的，对甲烷浓度检测的研究现状进行了总结。阐述了光声光谱气体检测技术的机理，着重介绍了气体红外分子吸收光谱、光声信号产生机理、波长调制、二次谐波检测和锁相放大等理论，为实现基于光声光谱技术的甲烷浓度检测系统的搭建提供理论基础。 其次，建立了光声池的理论模型，利用有限元法对光声池谐振腔和缓冲室的长度、半径对其特征频率和光声信号强度的影响进行了研究。制作了共振频率为1400Hz(±5Hz)的光声池，并进行了实验研究，得到了其响应曲线，实验与模拟结果相吻合。同时，设计了一种共振频率为1400Hz基于悬臂梁的光纤声波传感器，并进行了理论分析和模拟仿真,为光纤声波传感器制作提供了理论依据。 第三，搭建了基于光声光谱技术的甲烷浓度检测系统。该系统主要包括:中心波数在6047cm-1的分布式反馈(DFB)激光器、光声池、微音器、激光器驱动电路、温度控制电路及锁相放大器等。对系统进行了调试，测试了光声池的共振频率。实验研究了系统的甲烷气体浓度响应特性，实现了1％-30％浓度范围的甲烷气体浓度传感测量。实验结果表明:当甲烷浓度为2％-10％时，光声信号幅值快速增加，系统灵敏度较高，响应良好;浓度大于10％后，光声信号幅值增加变缓，灵敏度较低;当浓度超过25％后，光声信号出现饱和现象，其幅值呈下降趋势。 本文设计的甲烷检测浓度系统实现了对甲烷浓度的检测，为矿井环境下甲烷浓度的预警提供了途径和手段。
甲烷浓度检测;气体检测;光声光谱技术
西安石油大学
硕士
物理电子学
傅海威
2023
中文
X831
2023-08-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）