激光甲烷传感器相关理论及其检测方法研究 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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樊荣 著

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• 激光甲烷传感器
• 甲烷检测
• 激光技术
• 气体检测
• 环境监测
• 光谱技术
• 传感器技术
• 光学传感器
• 大气监测
• 仪器仪表

出版社： 西安电子科技大学出版社

ISBN：9787560645995

版次：1

商品编码：12295396

包装：平装

开本：16

出版时间：2017-12-01

用纸：胶版纸

内容简介

本书针对煤矿生产环境，主要研究激光检测甲烷相关理论及其方法。全书共分为8章，第1章和第2章为研究背景及甲烷吸收光谱理论基础研究，给出并建立激光气体检测系统；第3、4、5、6章为激光检测甲烷具体方法研究，以及在矿井温度、压力影响下激光精确测量甲烷算法研究。其中，第3章为激光器温度控制算法及谐波信号检测设计，第4章为温度、气压对测量的影响分析及补偿方法，第5章为基于专家系统随机逼近的激光器温度突变控制方法，第6章为甲烷气体的多点检测复用及其贝叶斯融合算法。第7章为激光甲烷传感器实验测试及现场应用。第8章介绍了相关研究工作的结论与展望。在附录中给出中煤科工集团重庆研究院有限公司测控分院与课题研究相关的煤矿检测与监控设备，以及这些设备的相关参数与应用情况。

本书可供自动化、测控、通信、安全及相关专业高校师生和有关工程技术人员参考学习。

目录

第1章 激光气体测试及其研究基础
1.1 选题背景及研究意义
1.2 甲烷气体检测技术简介及优缺点对比
1.3 激光气体检测技术国内外发展与研究现状
1.3.1 国外研究现状
1.3.2 国内研究现状
1.4 激光气体检测技术存在的问题及研究方向
1.5 研究内容及技术路线
1.5.1 研究内容
1.5.2 技术路线

第2章 甲烷吸收光谱理论及激光气体检测系统设计
2.1 甲烷吸收光谱理论
2.1.1 分子吸收光谱构成
2.1.2 球形陀螺结构分子
2.1.3 分子的吸收谱线线型
2.1.4 甲烷分子吸收谱线
2.2 光谱吸收定律分析
2.3 谐波检测理论推导及检测方法
2.3.1 谐波理论推导
2.3.2 谐波检测方法及噪声分析
2.4 激光气体检测系统设计及仿真
2.5 谐波信号检测硬件设计及数据测试
2.5.1 激光器驱动电路与信号检测电路设计
2.5.2 激光甲烷吸收信号的FPGA谐波信号输出
2.6 本章小结

第3章 激光器温度控制算法及谐波信号检测设计
3.1 甲烷浓度检测算法分析及扰动因素参数分析
3.2 波长、光强特征参数提取方法
3.2.1 光纤法布里-珀罗干涉原理直接测量波长法
3.2.2 甲烷参考气室特征参数检测算法
3.3 基于粒子群的激光器温度模糊控制算法
3.3.1 激光半导体制冷器温度控制思路
3.3.2 粒子群模糊控制算法及步骤
3.4 本章小结

第4章 温度、气压对测量的影响分析及补偿方法
4.1 环境因素对甲烷检测的影响
4.2 甲烷吸收光谱的温度特性分析
4.2.1 温度对甲烷吸收谱线宽度的影响
4.2.2 温度对甲烷吸收线强度的影响
4.2.3 激光甲烷传感器的温度特性
4.3 基于分段和重心插值的自适应迭代温度补偿技术
4.3.1 分段线性插值
4.3.2 重心拉格朗日插值
4.3.3 自适应迭代算法思路
4.4 自适应迭代算法描述及其实验验证
4.4.1 自适应迭代算法步骤
4.4.2 验证实验
4.5 激光甲烷传感器气体压强补偿技术
4.5.1 气体压强对甲烷吸收谱线的影响
4.5.2 激光甲烷传感器的压强特性
4.5.3 自适应迭代的压强补偿算法及验证
4.6 本章小结

第5章 基于专家系统随机逼近的激光器温度突变控制方法
5.1 激光器环境影响分析
5.2 环境温度变化的测试实验及分析
5.2.1 激光器温度控制的实验测试
5.2.2 激光器温度跟踪规律
5.2.3 激光器温度变化对甲烷浓度检测的影响
5.3 激光器温度补偿模型建立
5.4 激光器温度补偿硬件
5.5 基于专家系统随机逼近的温度补偿算法
5.5.1 随机过程的局部线性插补
5.5.2 不同初始温度的局部线性插补
5.5.3 补偿算法验证实验
5.6 本章小结

第6章 甲烷气体的多点检测复用及其贝叶斯融合算法
6.1 问题提出
6.1.1 多点检测复用技术
6.1.2 多点检测补偿问题
6.2 基于参数估计的多传感器数据算法描述
6.2.1 Bayes算法描述
6.2.2 关联测点的选择
6.2.3 多数据融合算法
6.3 基于Bayes理论的多点测试甲烷浓度补偿方法步骤
6.4 基于Bayes理论的多点测试甲烷浓度融合算法验证
6.5 本章小结

第7章 激光甲烷传感器实验测试及现场应用
7.1 激光甲烷传感器的性能测试
7.2 煤矿瓦斯监测系统简介
7.2.1 KJ90NB煤矿监控系统试验平台
7.2.2 煤矿监控系统的试验研究及测试
7.3 激光甲烷传感器现场应用及测试
7.3.1 GJG100J型激光甲烷传感器推广及试验
7.3.2 GJG100J（B）型煤矿管道用高浓度激光甲烷传感器
7.4 本章小结

第8章 结论与展望
8.1 主要结论
8.2 主要创新点
8.3 研究工作展望
附录：相关的煤矿检测与监控设备及其参数
参考文献

《光纤传感技术及其应用》 内容概述 本书深入探讨了光纤传感器的基本原理、关键技术、发展现状以及在各个领域的广泛应用。全书共分为八章，旨在为读者提供一个全面而系统的光纤传感技术知识体系，并激发在相关领域的创新思维。 第一章 光纤传感器的基本原理 本章首先回顾了光纤传感器的发展历程，从早期基于光的衍射和干涉原理的传感器，到如今在半导体、纳米材料等领域取得突破性进展的传感器。接着，详细阐述了光纤传感器的核心工作机制。光纤传感器通常依赖于光在光纤中传播时，因外部环境参数（如温度、压力、应变、化学物质等）的变化而引起的损耗、相位、强度、偏振等光学特性的改变。这些改变通过光电探测器进行测量，并最终转化为可读的物理量。 本章重点介绍了两种最基本的光纤传感机制： 强度调制型光纤传感器： 这种类型的传感器利用环境参数改变穿过光纤的光强度。例如，弯曲或拉伸光纤可能导致光信号的衰减，而化学物质的吸附或催化作用可能改变光纤的折射率，从而影响光的传输效率。本章将介绍不同类型的强度调制机制，如端面反射式、耦合损耗式等，并分析其优缺点。 相位调制型光纤传感器： 这类传感器更为灵敏，利用环境参数改变光在光纤中的传播相位。例如，温度变化会引起光纤的长度和折射率变化，进而影响光传播的相位；应变也会导致光纤长度变化，改变相位。本章将深入讲解法布里-珀罗干涉仪（FPI）、马赫-曾德尔干涉仪（MZI）等基于相位调制的经典光纤传感器结构，并阐述其测量原理。 此外，本章还将初步介绍其他重要的传感机制，例如偏振调制型传感器，它利用环境参数改变光的偏振状态，适用于测量磁场、应力等。 第二章 光纤传感器的关键技术 光纤传感器的性能高度依赖于一系列关键技术，本章将对这些技术进行详细的剖析。 光纤材料与制备： 光纤的材料选择直接影响传感器的灵敏度、稳定性以及适用范围。本章将讨论高纯度石英光纤、塑料光纤以及掺杂光纤等不同类型光纤的特性，并介绍其制备工艺，如化学气相沉积（CVD）等。特别会关注用于特殊传感应用的特种光纤，例如近红外区传输性能优异的光纤，或具有特定表面改性以增强传感性能的光纤。 光纤耦合与连接技术： 高效稳定地将光注入光纤以及连接不同的光纤器件是构建复杂光纤传感系统的基础。本章将介绍各种光纤耦合器（如分束器、合束器）、连接器（如FC、SC、LC接口）和熔接技术，并分析其对信号传输损耗和稳定性影响。 传感元件的设计与制造： 传感元件是光纤传感器的核心，其设计直接决定了传感器的性能。本章将介绍不同类型传感元件的设计原则，例如基于光栅（如布拉格光栅、长周期光栅）的传感元件，它们通过在光纤中刻蚀周期性结构来改变光的传播特性；以及基于微纳结构的传感元件，它们通过精密的结构设计来放大环境参数对光信号的影响。此外，还将讨论传感元件的制造工艺，如紫外光刻、电子束刻蚀等。 信号解调技术： 从光纤中传输的微弱光学信号中精确提取出环境参数信息是光纤传感器的关键。本章将详细介绍各种信号解调技术。 光谱解调： 利用光谱仪对光信号的波长、强度或形状变化进行分析。 干涉解调： 基于干涉条纹的移动或强度变化来测量相位变化。 光栅解调： 分析光栅反射或透射光谱的变化。 数字信号处理技术： 介绍如何利用傅里叶变换、小波分析等信号处理方法来提高传感信号的信噪比和测量精度。 第三章 光纤传感器的分类与性能评估 本章将对光纤传感器进行系统性的分类，并介绍评估其性能的关键指标。 按传感原理分类： 继承第一章的讨论，在此基础上更深入地探讨基于损耗、相位、干涉、衍射、散射、偏振、光谱吸收等不同原理的传感器。 按测量参数分类： 详细介绍用于测量温度、压力、应变、位移、液位、流量、振动、加速度、磁场、电场、化学物质（气体、液体）、生物分子等的各类光纤传感器。 按结构形态分类： 介绍点式传感器（如光纤光栅传感器）、分布式传感器（如分布式温度/应变传感器）以及阵列式传感器。 性能评估指标： 灵敏度（Sensitivity）： 参数变化单位引起的光学信号变化量。 分辨率（Resolution）： 能够区分的最小参数变化。 测量范围（Measurement Range）： 传感器能够有效测量的参数范围。 精度（Accuracy）： 测量值与真实值之间的接近程度。 稳定性（Stability）： 传感器在长时间或不同工作条件下性能保持不变的能力。 响应时间（Response Time）： 传感器对环境参数变化做出响应所需的时间。 抗干扰能力（Anti-interference Capability）： 传感器抵抗其他环境因素影响的能力。 复用性（Multiplexing）： 在同一根光纤上同时测量多个参数或在同一区域同时布置多个传感器。 第四章 基于光纤光栅的传感技术 光纤光栅（Fiber Grating）是现代光纤传感领域最重要的传感元件之一。本章将专门探讨光纤光栅传感技术。 光纤光栅的原理： 详细介绍光纤光栅的形成机理，包括紫外写入、电子束直写等方法，以及不同类型光栅（如布拉格光栅、长周期光栅、超长周期光栅）的结构和光学特性。 布拉格光栅（FBG）传感器： 工作原理： FBG传感器利用其对特定波长光具有强反射特性的原理，通过温度、应变等参数引起FBG反射光谱的移动来测量。 FBG的制备与封装： 介绍FBG的刻写工艺，以及不同应用场景下FBG的封装技术，如金属封装、环氧树脂封装等，以提高其耐久性和鲁棒性。 FBG传感系统的解调方法： 讨论利用宽带光源、光谱仪、扫描腔滤波器等组成的FBG解调系统。 长周期光栅（LPG）传感器： 工作原理： LPG传感器通过引起不同模式的光在光纤中发生耦合共振，从而在透射谱上产生吸收峰。环境参数的变化会引起这些吸收峰位置或强度的变化。 LPG的优势与应用： 重点介绍LPG在温度、折射率、化学物质检测等方面的优势，以及其在生物传感、化学传感等领域的应用。 FBG和LPG的组合应用： 探讨如何将FBG和LPG结合使用，实现多参数的联合测量或提高测量精度。 第五章 分布式光纤传感技术 与点式传感器不同，分布式光纤传感器能够在整条光纤的任意位置进行测量，实现“一根光纤管全局”的监测。本章将重点介绍分布式光纤传感技术。 分布式传感的基本原理： 分布式传感技术通常基于光在光纤中传播时发生的瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射等现象。通过探测这些散射光的时域或频域信息，可以实现对光纤沿线各点的参数进行测量。 分布式温度传感（DTS）： 基于拉曼散射的DTS： 详细介绍拉曼散射的原理，以及利用不同频率拉曼散射光的光强比来测量温度的方法。 基于布里渊散射的DTS： 介绍布里渊散射的原理，以及利用布里渊频移与温度的关联来测量温度的方法。 分布式应变传感（DSS）： 基于布里渊散射的DSS： 重点讲解布里渊频移与应变的关联，以及如何通过布里渊光学时域反射（BOTDR）和布里渊光学时域分析（BOTDA）技术实现分布式应变测量。 布里渊传感器的关键技术： 讨论信号处理、信噪比提升、测量精度优化等关键技术。 分布式传感系统的组成与优势： 分析分布式传感系统的光源、探测器、数据采集与处理单元，并强调其在长距离监测、复杂环境监测等方面的独特优势。 第六章 光纤传感器在环境监测中的应用 环境监测是光纤传感器最重要和最广泛的应用领域之一。本章将详细介绍光纤传感器在各类环境监测中的具体应用。 大气环境监测： 气体传感： 利用光纤对特定气体（如CO2, CH4, H2S, NH3等）的光吸收特性，开发用于气体泄漏检测、空气质量监测的光纤传感器。例如，基于表面等离激元共振（SPR）的光纤气体传感器，或在光纤表面涂覆敏感材料的传感器。 温湿度监测： 利用基于光纤光栅或干涉仪的温湿度传感器，实现对大气温湿度的精确测量。 水体环境监测： 水质监测： 开发用于监测pH值、溶解氧、氨氮、重金属离子、有机污染物等的水体质量传感器。例如，利用生物分子标记物固化在光纤表面的生物传感器。 水位监测： 利用基于浮力原理或压力传感的光纤水位传感器。 水下声学监测： 基于光纤干涉仪的灵敏的水听器，用于水下噪声监测和目标探测。 土壤环境监测： 土壤湿度与温度监测： 利用分布式或点式光纤传感器实现对大面积土壤温湿度的实时监测。 土壤气体监测： 监测土壤中的有害气体释放情况。 环境灾害预警： 边坡稳定性监测： 利用分布式光纤应变传感器监测边坡的形变，预警滑坡风险。 桥梁结构健康监测： 实时监测桥梁的应力、应变和温度变化，评估结构安全性。 地质灾害监测： 用于监测地震活动、火山活动等。 工业过程监测： 高温高压环境监测： 光纤传感器不受电磁干扰，且耐受高温高压，适用于石油、化工、电力等行业的严苛环境。 腐蚀性介质监测： 利用耐腐蚀的光纤材料和封装技术，监测腐蚀性介质的参数。 第七章 光纤传感器在其他领域的应用 除了环境监测，光纤传感器在航空航天、医疗健康、能源、交通等众多领域也展现出巨大的应用潜力。 航空航天领域： 飞机结构健康监测： 实时监测飞机机翼、机身等关键部位的应力、应变和温度，提高飞行安全。 发动机性能监测： 测量发动机内部的温度、压力等参数。 医疗健康领域： 生物传感器： 基于光纤的生物传感器，用于检测血糖、血氧、特定蛋白质、DNA等生物标志物，辅助疾病诊断和治疗。 内窥镜技术： 集成光纤传感器实现对人体内部的精密测量和成像。 药物释放监测： 监测药物在体内的释放速率和分布。 能源领域： 石油天然气勘探与开采： 监测井下温度、压力、应变，优化开采效率。 电网监测： 监测输电线路的温度、应力，保障电网安全运行。 核能安全监测： 在高辐射环境下进行温度、压力等参数的监测。 交通领域： 智能交通系统： 监测道路交通流量、桥梁结构健康、隧道通风状态等。 车辆结构监测： 监测汽车、火车关键部件的应力、应变。 工业自动化与安全： 精密制造： 用于机器人手臂的运动控制和力反馈。 安全监控： 检测工业设备过载、泄漏等异常情况。 第八章 光纤传感器的未来发展趋势与挑战 本章展望了光纤传感器的未来发展方向，并探讨了当前面临的挑战。 发展趋势： 集成化与小型化： 发展微纳光纤传感器、光子集成芯片等，实现传感器的小型化和高集成度。 智能化与网络化： 与物联网（IoT）、人工智能（AI）等技术深度融合，构建智能传感网络，实现数据的自主分析与决策。 多功能化与多参数测量： 开发能够同时测量多种参数的传感器，提高监测效率和信息获取能力。 新材料与新机制： 探索新型光纤材料（如空心光纤、塑性光纤）、纳米材料以及新的传感机制，拓展传感器的性能边界。 增强现实（AR）与虚拟现实（VR）结合： 将传感数据与AR/VR技术结合，实现更直观的可视化监测和操作。 面临的挑战： 成本问题： 部分高性能光纤传感器成本仍然较高，限制了其大规模应用。 标准化与互操作性： 缺乏统一的标准，影响了不同厂商设备之间的互操作性。 长期稳定性与可靠性： 在极端环境下，传感器的长期稳定性和可靠性仍需进一步提升。 数据处理与分析： 随着传感器数量的增加，海量数据的处理和有效分析成为新的挑战。 交叉学科人才培养： 光纤传感技术涉及光学、材料、电子、计算机等多个学科，需要跨学科的专业人才。 通过对以上各章节的深入学习，读者将能够全面掌握光纤传感器的理论基础、关键技术、应用领域，并对未来的发展方向有所了解。本书旨在为科研人员、工程师以及相关专业的学生提供一本权威、实用、前瞻性的参考书。

评分☆☆☆☆☆

阅读这本书的过程中，我最关注的部分无疑是“检测方法”章节。从书名来看，这部分内容应该占据了相当大的篇幅，也最能体现作者的研究成果和实用价值。我迫切地想知道书中介绍了哪些主流和创新的甲烷检测技术，例如，是否详细阐述了基于特定吸收峰（如3.39微米）的非色散红外（NDIR）技术，以及其在提高选择性和灵敏度方面的改进措施。另外，书中对差分吸收激光雷达（DIAL）和斯特藩-奥斯特鲁姆（SO）技术的介绍也让我充满期待，它们在远程、大范围甲烷泄漏监测方面有着不可替代的作用，希望能了解其工作原理、误差来源以及如何进行数据后处理。我还在思考，书中是否会涉及到一些新兴的检测技术，比如基于量子级联激光器（QCL）的近红外吸收光谱技术，或者结合了微机电系统（MEMS）技术的超紧凑型传感器。如果书中还能提供不同检测方法的性能对比，比如灵敏度、响应时间、功耗、成本等方面的分析，那就更有参考价值了。我希望这些检测方法不仅是理论上的阐述，还能有具体的实验数据和结果支撑，甚至包含一些优化参数的建议。

评分☆☆☆☆☆

抛开那些具体的理论和方法，这本书的整体逻辑结构和叙事方式也给我留下了深刻的印象。首先，我注意到作者在内容的组织上似乎遵循了一个清晰的脉络，从宏观的背景介绍，到微观的原理剖析，再到具体的应用展示，层层递进，引人入胜。开篇可能是一个关于甲烷泄漏危害和现有检测技术不足的引子，迅速将读者带入研究的必要性和紧迫性之中。随后，深入讲解激光与甲烷的相互作用机理，这部分内容的处理方式可能至关重要，既要保证科学的严谨性，又要避免过于晦涩难懂。我推测作者可能采用了图文并茂的方式，用生动的示意图和详细的公式推导来阐述复杂概念。在介绍完基础理论后，自然而然地过渡到各种检测方法的详细介绍，可能会按照不同的技术路线或应用场景进行分类。我尤其欣赏的是，如果书中能够适时地穿插一些案例分析，比如某个特定行业的甲烷监测需求，以及如何选择和优化相应的激光甲烷传感器来解决实际问题，这将大大提升这本书的可读性和实用性。结尾部分，我猜想可能会对未来的研究方向进行展望，或者总结现有技术的挑战和机遇。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计相当朴实，没有太多华丽的图饰，这倒是让我一开始就觉得它是一本“硬核”的专业书籍。我翻开目录，看到“激光”、“甲烷”、“传感器”、“理论”、“检测方法”这些关键词，心里就有了大概的预期，知道这不会是轻松的读物。我尤其对“理论”部分感到好奇，因为理论是基础，是理解一切技术背后的逻辑。我希望它能深入浅出地讲解激光与甲烷分子相互作用的物理原理，比如吸收光谱、拉曼散射、光声效应等，以及不同激光器（如CO2激光、半导体激光）在甲烷检测中的应用优势和局限性。同时，我也期待书中能提供一些关于传感器设计和制造方面的理论指导，比如光学路径设计、信号处理电路、噪声抑制技术等，这些都是实现高精度、高稳定性的甲烷传感器的关键。如果书中能结合一些实际的工程案例，或者对前沿的研究方向进行展望，那就更好了，这样能让我看到理论知识如何转化为实际应用，以及未来可能的发展趋势。总的来说，我希望这本书能够为我提供一个坚实的理论基础，让我能够更透彻地理解激光甲烷传感器的原理，为我后续的学习和研究打下牢固的根基。

评分☆☆☆☆☆

在阅读过程中，我一直在思考这本书对于不同背景的读者会有怎样的价值。对于初学者而言，这本书是否能够提供一个循序渐进的学习路径，从最基本的物理概念开始，逐步深入到复杂的传感器设计和应用？我希望它能避免使用过多行业内人士才能理解的术语，或者在必要时提供清晰的解释。对于已经在这个领域工作多年的研究人员或工程师来说，这本书是否能提供一些新的视角，或者对一些前沿的研究成果进行梳理和总结？我期待书中能够涵盖一些最新的研究进展，比如新型激光器的应用、先进的光学设计、或者更智能的信号处理算法。更重要的是，我希望这本书能够启发新的研究思路，或者为解决当前行业面临的挑战提供一些新的思路和方法。如果书中能够包含一些作者在研究过程中遇到的难题和解决过程的分享，那将是非常宝贵的经验。总的来说，我希望这本书能够成为一本既有深度又有广度的专业书籍，能够满足不同层次读者的需求，并在他们的学习和工作中发挥积极作用。

评分☆☆☆☆☆

拿到这本书，我最直观的感受是它对“研究”这个词的侧重点。书名中的“研究”二字，暗示着这不仅仅是一本技术手册，更可能是一部深入探索的著作。我猜测书中不会止步于对现有技术的简单罗列，而是会包含作者对这些技术原理的深刻理解，对不同方法优劣势的客观评价，以及对未来发展趋势的理性分析。我希望作者能够分享他们在研究过程中遇到的困难，以及如何通过实验和理论分析来克服这些困难的经验。这种“研究”精神的体现，或许会体现在对数据分析的严谨态度上，对实验设计的周密考虑上，以及对结论的审慎得出上。我期待书中能够看到一些高质量的实验数据图表，以及对这些数据背后物理意义的深入解读。此外，作为一本“研究”相关的书籍，它是否能够引导读者进行更深层次的思考，比如，在现有技术基础上，还有哪些未被充分挖掘的可能性？哪些新的材料或算法可以被引入到激光甲烷传感器的研发中？我希望这本书能够不仅仅是知识的传授，更能激发读者的创新意识和探索精神，让他们在阅读后能够对激光甲烷传感器领域有更深入的思考和更广阔的视野。