基于橫向剪切干涉系統(tǒng)的甲烷氣體濃度檢測的研究.pdf

1、在我國，由于井下瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)相對不完善，每年因井下瓦斯爆炸導(dǎo)致的安全事故非常多，造成的死亡人數(shù)幾乎占所有礦難的一半以上；在許多天然氣輸送管道線路中，由于天然氣泄漏造成的經(jīng)濟(jì)損失也是天然氣供氣過程中一個(gè)重要的問題；日常生活中，由于燃?xì)庑孤┍▽?dǎo)致的人員傷亡也時(shí)有發(fā)生。瓦斯、天然氣等是多種氣體的通稱，其主要成分為甲烷(CH4)。傳統(tǒng)的檢測甲烷氣體濃度設(shè)備常常難以同時(shí)滿足精度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好等要求，所以研究對甲烷氣體濃度快速、準(zhǔn)確的檢測技

2、術(shù)十分重要。針對這種迫切需要，本文提出了一種新型橫向剪切光路結(jié)構(gòu)，并基于此設(shè)計(jì)了新型橫向剪切干涉系統(tǒng)，將之應(yīng)用于甲烷氣體濃度的檢測。
　　論文介紹了甲烷氣體濃度檢測的主要方法、國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、紅外光譜吸收測量法的基本理論和基本概念。利用光譜分析法具有高精度分析、無中毒檢測、實(shí)時(shí)響應(yīng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于新型橫向剪切光路結(jié)構(gòu)的干涉系統(tǒng)，研究了基于新型橫向剪切干涉系統(tǒng)的光程差分布函數(shù)及剪切型干涉條紋的產(chǎn)生機(jī)理，基于離散傅里葉

3、變換得到的頻譜數(shù)據(jù)特征，進(jìn)行了光譜分析算法設(shè)計(jì)，并開發(fā)了與之對應(yīng)的甲烷氣體濃度分析軟件。
　　系統(tǒng)由特征氣體對應(yīng)的紅外激光光源、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、氣體探測氣室、雙角鏡結(jié)構(gòu)、CCD探測器、信號(hào)處理器和可視化編程平臺(tái)等構(gòu)成。為了使光學(xué)干涉系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可以良好地應(yīng)用于戶外復(fù)雜環(huán)境，系統(tǒng)采用雙角鏡光路同向保護(hù)的方式，同時(shí)采用連桿互補(bǔ)消震動(dòng)設(shè)計(jì)，很好地克服了戶外工作條件下震動(dòng)對光學(xué)系統(tǒng)干涉條紋成像的影響。雙角鏡設(shè)計(jì)使光路穩(wěn)定，當(dāng)干擾使光路發(fā)生偏

4、移時(shí)，光路僅產(chǎn)生同方向上的位移偏移，并且進(jìn)行相干的兩束光都產(chǎn)生偏移，不會(huì)造成不均勻的誤差。連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使分束鏡在受震動(dòng)影響時(shí)產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)效果，這樣由1鏡引入的誤差會(huì)以大小相等、方向相反的形式由2鏡抵消掉，從理論上完全的消除了震動(dòng)產(chǎn)生的干擾。此種設(shè)計(jì)大大提高了光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且不影響干涉系統(tǒng)的光通量和光程差掃描范圍。
　　為了保證該種結(jié)構(gòu)的高光譜分辨率、高光通量的特性，研究了新型橫向剪切干涉系統(tǒng)產(chǎn)生干涉條紋的基本原理特性，分析了采用

5、分光鏡正向、逆向旋轉(zhuǎn)獲得光程差的極限范圍。計(jì)算了通過連桿結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光程差互補(bǔ)效果，以相干技術(shù)、傅里葉光學(xué)、光電探測為基礎(chǔ)，使用新型橫向剪切干涉系統(tǒng)，在保持原有光學(xué)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過圓形軌跡掃描代替?zhèn)鹘y(tǒng)的線性軌跡掃描，實(shí)現(xiàn)了連桿消除震動(dòng)干擾的設(shè)計(jì)思想。系統(tǒng)雖有機(jī)械掃描結(jié)構(gòu)，但由于該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償效果，避免了最容易對光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的震動(dòng)干擾的問題。最終的數(shù)據(jù)由CCD探測器采集，經(jīng)處理器實(shí)現(xiàn)氣體濃度的計(jì)算輸出。
　　在設(shè)計(jì)了橫向剪切干

6、涉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用可視化平臺(tái)開發(fā)了相應(yīng)的光譜分布函數(shù)分析算法及軟件。對主成分分析法、遺傳算法、最小二乘法、BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法、粗糙集法、支持向量機(jī)分析法等多種光譜分析處理算法綜合比較和分析，結(jié)合檢測氣體濃度的特點(diǎn)要求，系統(tǒng)采用支持向量機(jī)分析法完成了對特征波長、光譜分布函數(shù)的求解及對甲烷氣體濃度的計(jì)算分析，并采用MicrosoftVisualStudio平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)輸入、傅里葉變換、光譜標(biāo)定、甲烷氣體濃度分析等功能的實(shí)現(xiàn)及顯示

7、。
　　實(shí)驗(yàn)采用室內(nèi)無震動(dòng)環(huán)境和戶外環(huán)境分別對激光光譜分布函數(shù)進(jìn)行測試，分析干涉系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)室條件下，由于干擾幾乎不存在，兩種干涉系統(tǒng)的光譜分析能力接近，但當(dāng)傳統(tǒng)干涉系統(tǒng)應(yīng)用于戶外時(shí)，干涉條紋反演得到的光譜分布函數(shù)發(fā)生了比較明顯的變形和偏移，而基于新型橫向剪切干涉系統(tǒng)獲取的光譜分布函數(shù)基本沒有變化，說明該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。還分別在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)和戶外完成了針對甲烷氣體濃度的檢測實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)顯示，采用室內(nèi)應(yīng)