基本信息
- 项目名称：
- 基于激光光谱吸收技术的甲烷气体检测仪
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品以光谱吸收技术Beer--lambert定律为基础，通过实验优选甲烷气体的吸收谱线，实现甲激光应用到甲烷气体浓度检测，设计开发的检测仪器具有较高的检测精度，较强的抗干扰能力，有利于甲烷气体及时准确观测。本作品是基于在1665nm波长的激光器下对甲烷的吸收最强，通过探测器对甲烷吸收后光谱的分析，及MCU对所得数据进行处理，得出甲烷气体的浓度。
- 详细介绍：
- 该作品以光谱吸收技术为基础，激光束照射甲烷气体吸收后的光强，利用光电转换器件转换为电信号，设计光电信号检测电路，编制相关软件程序，对光谱信号进行处理分析及输出，实现甲烷气体浓度在线检测。把具有窄带频率优点的激光应用到甲烷气体浓度检测，设计开发出的检测仪器实现抗干扰强的特点。 本作品以AT89C51作为MCU控制系统，并结合软件控制技术实现设计要求。与传统色谱气体分析技术对比，该技术利用激光光谱技术实现甲烷气体浓度检测，设备具有结构简单、成本低廉、操作简便、使用环境宽等优点。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：设计开发出一套基于激光光谱吸收技术的甲烷气体检测仪。 思路：基于光谱吸收技术,通过实验发现和优选甲烷气体的吸收谱线，确定激光器、设计光电信号检测电路，编制相关软件程序，对光谱信号进行处理分析及输出，实现甲烷气体浓度检测。 创新点：把具有窄带频率优点的激光应用到甲烷气体浓度检测，设计开发出的检测仪器实现抗干扰强的特点。 技术关键：甲烷气体特征波长优选；弱信号的拾取与处理技术；检测数据应用技术。 技术指标：（1）最小检测浓度：≤0.001%；（2）精度：≤2%F.S； （3）重复性误差：≤5%F.S；（4）测量范围：0.001%--100%； （5）具有串口输出端口。
科学性、先进性
- ●先进性：与传统色谱气体分析技术对比，该技术利用激光光谱技术实现甲烷气体浓度检测，设备具有结构简单、成本低廉、操作简便、使用环境广泛等优点；与红外吸收光谱技术对比，该技术充分利用激光具有窄带宽的优点，避免了检测结果易受乙烷、丙烷、丁烷等其它烷烃类气体的干扰；与现有同类技术对比，该技术成果扩大了浓度检测范围、有更高的实用性。 ●技术分析说明：该技术运用了差分测量吸收技术，差分吸收测量技术能够有效消除光源和探测器以及各种外部因素的干扰。基于波长为1665 nm DFB-QWLD激光器的差分气体检测系统。通过调谐激光器的注入电流,使发射波长扫描过甲烷分子在2v3谱带的Q支中位于6004. 293 cm-1的吸收谱线,通过比较分析探测器PD1和PD2的输出信号,计算得到气体浓度。该系统结构简单,灵敏度较高且稳定性好,有望被制作成为实用化的激光甲烷探测系统。1665 nm波长的光能够以低损耗在普通石英光纤中传输,适于形成分布式、长距离传感系统,易于满足煤矿等企业的需要。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 双方合作
作品可展示的形式
- 实物、产品，现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- ●特点及优势：该技术利用激光光谱技术实现甲烷气体浓度检测，设备具有结构简单、成本低廉、操作简便、使用环境广泛等优点；与红外吸收光谱技术对比，该技术充分利用激光具有窄带宽的优点，避免了检测结果易受它烷烃类气体的干扰；该技术扩大了甲烷气体浓度检测范围、具有了更高的实用性。 ●应用范围及推广前景：随着国家的快速发展，能源需求日益突出，甲烷气体是天然气和煤层气（瓦斯）主要成分，也是主要清洁能源，甲烷气体的开发是今后能源发展的主要方向之一。本成果在甲烷气体的开发过程中将会发挥重要作用，应用前景十分广阔。同时可根据不同气体吸收光谱的不同来设置仪器的参数与程序进而用于其他气体浓度的测量。 ●市场分析及经济效益：甲烷气体的勘探开发需要通过钻井工程来实现，为了更加准确勘探与开发甲烷气体，激光光谱甲烷气体检测仪必不可缺，一方面有利于甲烷气体的及时准确发现，另一方面也可以指导钻井施工队伍安全施工，提高生产的安全本质，具有较高的经济效益和社会效益。
同类课题研究水平概述
- 同类研究的各理论方案 1 基于调谐式激光技术测量气体的浓度 近年来基于谐波检测法的检测系统利用锁相放大器分析二次谐波信号获得了较高的探测灵敏度。但是这类系统结构复杂造价昂贵,不利于仪器的推广应用。 2 基于二极管激光器光谱吸收法测量气体的浓度 在已报道的二极管激光器光谱吸收法( diode laser absorption spectrum,DLAS)气体检测系统中,直接吸收检测系统结构简单,但易受光强变化和探测器零点漂移等因素的影响,并且探测灵敏度低。 3 棱镜气室在纤甲烷检测系统中的应用研究 棱镜气室在纤甲烷检测系统中的应用研究中是基于比尔-朗伯（Beer-Lambert）定律在气体弱吸收时的近似表述，以大气环境为背景，利用背景扣除和谐波检测技术，实现了常压下甲烷不同体积分数水平（0-20%）的检测。此方案在灵敏度调节性及抑制干涉噪声方面较有优势，但其测量范围较窄（甲烷检测体积分数在0-20%范围）。 4基于窄带宽激光器光谱吸收法测量气体的浓度 我们研究的是把具有窄带频率优点的激光器应用到甲烷气体浓度检测，设计开发出的检测仪器实现抗干扰强；设备具有结构简单、成本低廉、操作简便、使用环境广泛；与红外吸收光谱技术对比，该技术充分利用激光具有窄带宽的优点，避免了检测结果易受它烷烃类气体的干扰；该技术扩大了甲烷气体浓度检测范围、具有了更高的实用性。
