煤礦瓦斯的激光光譜檢測技術(shù)研究

內(nèi)容概要

　　本書是基于激光吸收光譜技術(shù)的光纖分布式煤礦瓦斯檢測的應(yīng)用研究。整個系統(tǒng)用激光器，通過光纖多路開關(guān)，分時(shí)地把激光導(dǎo)入到設(shè)置于井下的光纖光吸收池，經(jīng)過氣體吸收的激光通過光纖導(dǎo)出到探測器上，完成激光吸收測量。本書構(gòu)建了基于雙波長技術(shù)的煤礦瓦斯傳感系統(tǒng)，將以前主要用于實(shí)驗(yàn)室氣體分析的光譜分析技術(shù)發(fā)展為對氣體的在線監(jiān)測裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，得到了精確測量結(jié)果。
《煤礦瓦斯的激光光譜檢測技術(shù)研究》從實(shí)際出發(fā)，力圖為煤礦生產(chǎn)一線及科研工作者人員提供一個借鑒，對瓦斯的檢測提供了一個全新的手段和方法。本書由周孟然教授著。

作者簡介

周孟然(1965-)，教授，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所博士畢業(yè)，碩士生導(dǎo)師。現(xiàn)任安徽理工大學(xué)電氣工程系電子信息工程教研室副主任，主要從事智能控制、集成電路設(shè)計(jì)、光電信息處理、激光技術(shù)應(yīng)用和計(jì)算機(jī)控制等方面的研究。主持及參加過多項(xiàng)省級自然科學(xué)基金項(xiàng)目，發(fā)表學(xué)術(shù)論文40篇，其中被Ei檢索收錄3篇，10篇國家重點(diǎn)級。2006年獲淮南市“舜耕英才”培養(yǎng)對象資助?，F(xiàn)任中國煤炭工業(yè)技術(shù)委員會信息與自動化專業(yè)委員會委員，省儀器儀表學(xué)會理事。

書籍目錄

第1章 緒論
 1.1 煤礦安全生產(chǎn)的重要性
 1.2 煤礦瓦斯監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀
 1.2.1 國外瓦斯監(jiān)測的現(xiàn)狀
 1.2.2 國內(nèi)瓦斯監(jiān)測的現(xiàn)狀
 1.3 光譜監(jiān)測煤礦瓦斯的重要意義
第2章 光譜學(xué)理論
 2.1 光的發(fā)射和吸收
 2.1.1 光傳播的電磁理論
 2.1.2 分子吸收與受激、自發(fā)發(fā)射
 2.1.3 氣體分子的吸收電磁理論
 2.1.4 分子吸收線性與非線性的區(qū)別
 2.2 原子光譜
 2.2.1 原子吸收光譜分析方法的發(fā)展
 2.2.2 原子的受迫振蕩現(xiàn)象
 2.2.3 原子對光譜的吸收與色散現(xiàn)象
 2.3 光譜線的線形和寬度
 2.3.1 自然線寬
 2.3.2 多普勒展寬
 2.3.3 壓力展寬
 2.3.4 譜線寬度擴(kuò)展的均勻性
 2.3.5 飽和展寬與渡越時(shí)間展寬
 2.3.6 復(fù)合線形
第3章 瓦斯的吸收特性
 3.1 分子的一般性質(zhì)
 3.1.1 分子結(jié)構(gòu)的對稱性
 3.1.2 分子點(diǎn)群
 3.2 多原子型分子振動和轉(zhuǎn)動光譜
 3.2.1 多原子分子的核運(yùn)動
 3.2.2 多原子分子振動
 3.2.3 多原子分子轉(zhuǎn)動的類別
 3.2.4 多原子分子的振轉(zhuǎn)譜
 3.3 甲烷氣體對吸收譜線的選擇
 3.3.1 氣體分子運(yùn)動及其光譜
 3.3.2 基頻、泛頻及相應(yīng)組合頻率的光譜
 3.3.3 氣體分子吸收線型數(shù)學(xué)分析
 3.3.4 氣體分子運(yùn)動時(shí)吸收譜線強(qiáng)度
 3.3.5 甲烷的特征吸收譜線
第4章 光譜學(xué)檢測儀器
 4.1 近紅外光譜
 4.2 近紅外光譜分析儀器的基本概述
 4.3 近紅外光譜儀器性能指標(biāo)
 4.4 近紅外光譜儀器的基本結(jié)構(gòu)及其含義
 4.5 近紅外光譜儀器的類型
 4.6 近紅外光譜的分析技術(shù)
 4.7 常用的光譜類儀器
 4.7.1 分光計(jì)
 4.7.2 波長計(jì)
第5章 光譜吸收型氣體傳感技術(shù)
 5.1 氣體濃度檢測的光譜技術(shù)
 5.2 光譜遙感測量原理
 5.3 差分吸收檢測技術(shù)
 5.4 差分吸收激光雷達(dá)(DIAL)技術(shù)
 5.5 傅里葉變換紅外光譜(FTIR)技術(shù)
 5.6 激光誘導(dǎo)熒光(LIF)技術(shù)
第6章 煤礦瓦斯氣體光譜數(shù)據(jù)處理
 6.1 光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理
 6.1.1 光譜數(shù)據(jù)的平滑
 6.1.2 基線校正
 6.1.3 求導(dǎo)
 6.1.4 歸一化處理
 6.1.5 傅立葉變換
 6.2 光譜的數(shù)據(jù)處理
 6.2.1 主成分分析法(PCR)
 6.2.2 偏最小二乘法
 6.2.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(ANN)
 6.3 甲烷(CH4)氣體光譜的數(shù)據(jù)處理方法
第7章 可調(diào)諧二極管激光吸收光譜檢測系統(tǒng)在瓦斯研究中的應(yīng)用
 7.1 可調(diào)諧二極管激光光譜吸收原理
 7.1.1 直接吸收光譜
 7.1.2 調(diào)制光譜技術(shù)
 7.1.3 吸收線選擇
 7.1.4 靈敏度與檢測限
 7.1.5 噪聲壓縮與檢測靈敏度的提高
 7.2 可調(diào)諧二極管激光吸收光譜實(shí)驗(yàn)裝置
 7.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置
 7.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器的選擇和確定
 7.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成和軟件控制流程
 7.3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建
 7.3.2 控制軟件使用及掃描過程
 7.3.3 掃描采樣
 7.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
第8章 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在瓦斯?jié)舛葯z測中的應(yīng)用
 8.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本概念
 8.1.1 神經(jīng)元生物剖析
 8.1.2 神經(jīng)元及其信息傳遞的閥值特性
 8.1.3 用數(shù)學(xué)模型表示神經(jīng)元
 8.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理
 8.2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概念
 8.2.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的幾個特性
 8.2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方法
 8.2.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用問題
 8.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的瓦斯?jié)舛阮A(yù)測方法
 8.3.1 BP算法
 8.3.2 時(shí)間序列基本理論
 8.3.3 瓦斯?jié)舛阮A(yù)警系統(tǒng)面臨的主要問題
 8.3.4 應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行預(yù)測的分析
 8.3.5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)的設(shè)計(jì)
 8.3.6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的仿真實(shí)驗(yàn)
 8.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的FPGA實(shí)現(xiàn)
 8.4.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硬件實(shí)現(xiàn)與模塊的劃分
 8.4.2 瓦斯預(yù)警BP算法模塊的實(shí)現(xiàn)
 8.4.3 控制模塊設(shè)計(jì)
 8.4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
第9章 雙波長光纖傳感網(wǎng)絡(luò)在煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)中的構(gòu)成
 9.1 雙波長測量及波長選取技術(shù)的原理
 9.1.1 雙波長測量技術(shù)
 9.1.2 波長的選取技術(shù)
 9.2 雙波長光纖氣體傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)
 9.2.1 光纖傳感系統(tǒng)框圖
 9.2.2 激光器
 9.2.3 單色器
 9.2.4 斬光器
 9.2.5 吸收池
 9.2.6 接收裝置
 9.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
 9.3.1 軟件使用方法
 9.3.2 參數(shù)設(shè)置
 9.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
 9.4.1 系統(tǒng)性能測試
 9.4.2 對比測試
 9.4.3 穩(wěn)定性測試
第10章 結(jié)論與展望
 10.1 結(jié)論
 10.2 展望
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   3.3 甲烷氣體對吸收譜線的選擇 3.3.1 氣體分子運(yùn)動及其光譜 分子運(yùn)動可以由電子運(yùn)動，振動與轉(zhuǎn)動三種形式構(gòu)成，但是實(shí)際上電子運(yùn)動產(chǎn)生的光譜并不在紅外光譜區(qū)內(nèi)，鑒于本書所討論的譜線重點(diǎn)及其意義，電子運(yùn)動在這里就不做討論了。內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異使得分子的運(yùn)動形式以及原子間相互作用變得較為復(fù)雜。由一個分子軸直接構(gòu)成的雙原子分子是最簡單類型的分子。 若分子的電子態(tài)與振動態(tài)恒定，并且不考慮電子態(tài)與振動態(tài)對分子運(yùn)動的影響，僅只考慮轉(zhuǎn)動態(tài)間躍遷產(chǎn)生對分子運(yùn)動時(shí)的影響，那么相應(yīng)的就可獲得純轉(zhuǎn)動光譜。對于純轉(zhuǎn)動光譜而言，通常情況下，雙原子分子可分成剛性轉(zhuǎn)子與非剛性轉(zhuǎn)子兩種情況。按照三個轉(zhuǎn)動慣量是否相等，多原子分子可分為：球形陀螺分子、對稱陀螺分子以及不對稱陀螺分子，這些類型的分子在上一節(jié)已做了闡述。 不考慮轉(zhuǎn)動運(yùn)動和電子運(yùn)動的影響，僅只考慮振動運(yùn)動對分子運(yùn)動的影響，通常情況下，對于分子運(yùn)動的純振動而言，最簡單類型的分子即雙原子分子可分成兩種模型，第一種為簡諧振子模型；第二種為非簡諧振子模型，而多原子分子的振動光譜由其振動方式來決定。最簡單的模型就是分子簡正振動。由前面所知，含有N個原子構(gòu)成的整體性分子，相對應(yīng)會有3N個自由度存在。其中有三個自由度屬于橫向上的多原子分子的平移運(yùn)動，在空間運(yùn)動過程中，有三個自由度決定多原子分子的轉(zhuǎn)動運(yùn)動，余下的3N-6個自由度勢必是用來描述整體多原子分子的振動自由度。而對于直線結(jié)構(gòu)的分子來說，僅需兩個自由度就可描述轉(zhuǎn)動運(yùn)動，相應(yīng)的系統(tǒng)分子振動自由度就變成了3N-5個。 通過研究可以發(fā)現(xiàn)，每個分子運(yùn)動的振動自由度實(shí)際上都是和一種基本振動方式相對應(yīng)的。研究中還發(fā)現(xiàn)，分子運(yùn)動過程中的某些特征振動方式實(shí)際上就是由這些基本振動方式直接構(gòu)成。若分子振動是這些特征振動形式中的一種，同時(shí)每個原子都是以相同的頻率作簡諧振動，那么這些特征振動方式就稱為分子簡正振動方式。從定義就可直接看出，分子運(yùn)動的每個簡正振動方式都會對應(yīng)著一個固定的振動基頻。

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