我国是能源开发和消耗大国,在能源结构中煤炭和天然气占据主要成分。近年来随着煤炭和天然气的消耗量日益增加,煤矿爆炸事故时有发生,严重威胁相关人员的生命财产安全。煤矿爆炸事故多由瓦斯突出和爆炸引起的。井下瓦斯气体组分主要为甲烷约占80%,因此研究甲烷气体高灵敏度实时监测系统对于煤矿爆炸和瓦斯突出事故预防具有十分重要的意义。非色散红外吸收光谱技术因具有灵敏度高、响应时间短、选择性好、低成本和低功耗等优点,在大气环境监测、呼吸诊断和工业安全等气体检测领域应用广泛。因此,本文基于非色散红外吸收光谱和脉冲LED光源研究了一套用于煤矿井下瓦斯气体的检测系统,本文主要工作如下:1.红外气体检测技术的原理。从红外吸收技术的物理学原理和理论基础开始,介绍了红外吸收峰的产生原因与其吸收峰强度及大致分布,根据朗伯-比尔定律推导出传感器气体浓度计算公式,为本文的甲烷浓度测量提供了理论基础。2.光学设计。传统的NDIR传感器采用直接吸收信号的透射光强,容易受到环境噪声干扰,本文采用脉冲方式调制LED光源,再通过算法反演浓度。本文以光电二极管代替光热型探测器,避免进行复杂的温度补偿。根据光源的发散角和探测器的光敏面等特性,在Trace Pro光学仿真软件中进行气体吸收池优化设计,通过增加抛物面反射镜结构和管壁镀高反射金膜,使光辐射频率利用效率提高约20%。3.低功耗低成本甲烷传感器电路设计。基于Hall-Libbrecht电路,设计了具有反馈调节的光源驱动电路,根据LED工作条件设计的驱动电路最大输出1 A电流,电流温漂系数仅有523 ppm/℃,调制频率可达49 k Hz;根据光电探测器参数设计了探测器信号调理电路,包括低纹波电源设计、I-V转换电路、高通滤波器、低通滤波器以及输出放大电路。采用STM32H743单片机移植了FFT变换等算法,设计了外围显示电路及通信接口。4.提出了基于FFT变换和小波变换的浓度反演算法。由于小波变换在时域和频域的多分辨率特性,利用小波分解、阈值降噪法和小波重构,对探测器输出信号进行降噪处理,再对降噪信号FFT变换反演浓度。通过比较得出,采用小波变换和FFT变换结合的浓度反演算法较单一的FFT变换拟合相关系数更高,得到的浓度更准确。5.搭建甲烷气体传感系统,对甲烷传感器进行标定和性能测试。经过拟合得到探测器输出信号与甲烷气体浓度相关系数达到0.997,经过测试传感器的测量误差4.2%,长时间工作误差小于2.4%F.S。