气体滤波技术.pdf

中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书

1绪论

空气中甲烷含量低、吸收弱，而且在生产生活中有着很大的危害性，在非分散

红外甲烷检测系统中噪声干扰大的问题。我们基于利用气体滤波相关检测技术就可

以去除背境噪声的干扰来提高检测能力的方法。该方法依据气体对红外辐射的特征

吸收关系（依据比尔－朗伯定律）和相关运算的原理，结合了相关检测技术，从而

达到了对甲烷气体准确而且快速检测目的。

1.1课题背景以及研究意义

随着世界工业化进程的加快和财富增长的同时，也带来了十分严重的安全隐患

与环境污染。安全与环保已经成为当今世界各国人士关注的一大难题。同时在在我

国随着国民经济的发展，对煤炭和石油的需求也日益剧增。其中煤炭作为我国基本

能源与重要原料，在国民经济中占有极其重要的战略地位，在我国的能源结构中，

煤炭占我国一次性能源生产与消费结构中的70％，预计到2050年还会占到50％左

右，所以在相当长的时间内煤炭仍将是我国的主要能源，尤其是我国工业化进程的

不断加快对煤炭的需求将会不断的增长。所以煤炭生产安全就是我们迫切需要解决

的问题。在煤矿事故中，甲烷爆炸是矿难的一大罪魁祸首。在我国的煤矿安全事故

中，甲烷爆炸占有的伤亡占重大事故伤亡人数就在50％以上。甲烷是在煤炭生产

过程中产生的多种可燃可爆炸气体的总称，其中甲烷占有83％—89％。甲烷为无

色无臭味气体，它具有不溶于水﹑性质稳定﹑不易检测的性质，是天然气沼气和多

种液体燃料的重要组成成分。甲烷在大气中的爆炸下限是5.3％，爆炸上限是

15.0％。甲烷事故在特重大安全事故和死亡人数占到70％以上，因此煤矿甲烷事故

治理成为煤矿安全生产治理的核心，如何检验出甲烷的浓度是预防甲烷事故的关

键。此外大气中痕量污染气体含量的变化严重影响着人类的生活，其中温室效应的

影响更加严重。甲烷是大气平流层的组成要素，在大气化学和温室效应中起着重要

的作用，随着人类社会的发展和生产活动的扩大，地球大气中温室气体（二氧化碳、

甲烷等）浓度的增加，成为导致全球气候变暖的重要原因。大部分由人类产生的甲

烷气体温室效应非同小可，一个甲烷分子产生温室效应的强度约是一个一氧化碳的

22倍。而且近百年来大气中甲烷等温室气体含量持续增加，导致全球变暖，造成

了严重的气象灾害。因此对甲烷的浓度检测成为了解目前污染状况的重要手段，有

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非常重要的意义。

1.2检测甲烷方法介绍

根据检测时所应用的原理，检测甲烷气体浓度方法，可以分为一下几类：

1.红外光谱吸收法测量甲烷浓度

不同的气体对红外光的吸收都有不同的峰值，一些气体的特征光谱吸收强度还

与气体的浓度有一定的关系，利用这一原理就可以进行甲烷气体浓度的测量。测量

因气体的红外吸收而产生的光强衰减，然后进行相关的计算，就可以测量出甲烷气

体浓度[2][3][26]。

2.半导体气敏法测量甲烷浓度

利用半导体气敏元件(主要是金属氧化物)同待测气体接触，从而导致半导体的

电阻率发生变化，以此来检测待测气体的浓度。半导体气敏传感器具有：寿命长、

结构简单、耗能少等优点。缺点是：选择性差，受水蒸气的影响比较严重，测量范

围窄，检测可燃性气体浓度的精度不高[5][27][28]。

3、光干涉法测量甲烷浓度

利用光的干涉原理，可以进行检测多种气体的浓度。这类仪器是根据甲烷气体

的折射率与空气的折射率不同而研制的。由同一光源发出的两束光，让它们分别经

过装有标准气样的参考气室和充有待测气体的测量气室，相遇时两束光将会产生相

干条纹。由于待测气室中气体浓度不同，干涉条纹的位置将会不同，根据干涉条纹

的不同位置，就可以测定甲烷气体的浓度。

4、超声法测量甲烷浓度

利用超声波在不同气体中有不同的传播速度这一原理，可以甲烷气体的浓度。

利用超声法来检测甲烷体浓度的装置简单，需两个对称的气室，一个是密封空气，

另一个是与待测气样相通。当同一声源发出的两束声波通过两个不同的气室后，因

为传播速度不同，到达终端的声波之间有一个与待测气体甲烷浓度成比例的相位

差，用转换器把声信号转变成电信号，与甲烷度成比例的信号即可用仪表显示。对

于低浓度甲烷，用声速测量，信号比较弱，这是它的主要缺点。为了增强信号，必

须把气室做得很长