【摘要】：近年來(lái),化工、建筑等行業(yè)以破竹之勢(shì)迅猛發(fā)展,他們帶來(lái)了巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也帶來(lái)了大量的污染物,這些污染物質(zhì)在大氣中嚴(yán)重威脅了我們的身心健康,密閉氣室內(nèi)一些氣體濃度超標(biāo)嚴(yán)重還可能引發(fā)爆炸等危險(xiǎn)行為,因此實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)這些氣體的濃度具有極其重要的意義。TDLAS氣體檢測(cè)系統(tǒng)因其具有響應(yīng)速度快、精度高、受外界影響小等優(yōu)點(diǎn)受到了人們極大地青睞。針對(duì)甲烷氣體檢測(cè)的問(wèn)題,基于TDLAS光學(xué)理論設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了TDLAS檢測(cè)系統(tǒng)的前端驅(qū)動(dòng)部分。對(duì)傳統(tǒng)的檢測(cè)方法與TDLAS檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析,闡述了TDLAS檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的基本理論知識(shí),詳細(xì)介紹了前端驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)部分,主要包括激光器恒流源驅(qū)動(dòng)、激光器溫度控制、恒流源驅(qū)動(dòng)板和溫控板PCB制作。驅(qū)動(dòng)信號(hào)主要包括直流偏置信號(hào)、低頻鋸齒掃描信號(hào)、高頻正弦調(diào)制信號(hào)等。該直流偏置值對(duì)應(yīng)于甲烷氣體主吸收峰的波長(zhǎng),低頻鋸齒描信號(hào)的作用是圍繞甲烷氣體吸收峰進(jìn)行低頻掃描,高頻正弦調(diào)制波的作用是將低頻信號(hào)和直流偏置信號(hào)進(jìn)行載波,提高系統(tǒng)的抗干擾能力和信噪比。為了避免高頻噪聲干擾,設(shè)計(jì)采用LTC1064構(gòu)成四階濾波系統(tǒng),采用負(fù)反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)定輸出電流,從而實(shí)現(xiàn)激光器的恒流源驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)了激光器高精度溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于激光器發(fā)出的波長(zhǎng)是驅(qū)動(dòng)電流和溫度的二元函數(shù),為了實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器發(fā)出波長(zhǎng)快速、準(zhǔn)確和穩(wěn)定的控制,首先對(duì)抗積分飽和PID算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法進(jìn)行仿真試驗(yàn),并最終完成抗積分飽和PID算法的實(shí)際控制,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,溫度控制精度達(dá)到了±0.008℃,實(shí)現(xiàn)了激光器對(duì)高精度溫度控制的要求。經(jīng)驗(yàn)證,激光器可以發(fā)出對(duì)應(yīng)甲烷氣體吸收峰1653.72nm波長(zhǎng)的激光,并且可以圍繞中心波長(zhǎng)進(jìn)行低頻掃描,波長(zhǎng)控制準(zhǔn)確穩(wěn)定。
【圖文】：

氣體吸收光子能量之后形成了氣體的吸收光譜，分子的能量主要由三部分構(gòu)成具體公式如下：e v JE E E E（2-2）其中： —電子能量； —振動(dòng)能量； —轉(zhuǎn)動(dòng)能量；分子運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)受這三種能量的影響，一般多原子的分子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，擁有更多的能級(jí)和光譜。2.2 HITRAN 吸收光譜在應(yīng)用 TDLAS 原理進(jìn)行氣體檢測(cè)時(shí)，通常都是以待測(cè)氣體一條譜線展開(kāi)的，其中心頻率固定，但是，在 HITRAN 數(shù)據(jù)庫(kù)中，甲烷氣體吸收譜線有上萬(wàn)條，想要提高檢測(cè)的精度，需要對(duì)這些譜線逐一分析和比較，從這些甲烷吸收譜線中，找出一條吸收強(qiáng)并且與其他氣體吸收譜線沒(méi)有交集的譜線作為激光器氣體檢測(cè)譜線。目前，國(guó)際上有很多光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，包括 HITRAN、PNNL 和 NIST 等，其中 HITRAN 是發(fā)展最早，也是目前應(yīng)用最為廣泛的數(shù)據(jù)庫(kù)，參數(shù)比較全面詳細(xì)，因此選用美國(guó) HITRAN 對(duì)甲烷氣體吸收譜線進(jìn)行檢索，，參數(shù)設(shè)置如圖 2.2 所示：

因此本次設(shè)計(jì)選定中心波長(zhǎng) 1653.72nm 作為實(shí)驗(yàn)檢測(cè)波長(zhǎng)。圖 2.3 甲烷氣體吸收譜線圖2.3 吸收線型用來(lái)描述激光與待測(cè)氣體間相互作用的譜線變化規(guī)律的函數(shù)叫做吸收線型函數(shù) ( 0)，線型函數(shù)與溫度、氣壓以及分子內(nèi)部構(gòu)成有直接關(guān)系，氣體吸收譜線因受到展寬效應(yīng)的影響發(fā)生一定的展寬。氣體吸收譜線的展寬一般分為以下三種：1 高于 1atm 為高壓，碰撞展寬占據(jù)主導(dǎo)地位，一般用洛倫茲線型（Lorentz）描述；2 低于 0.008atm 為低壓，多普勒（Doppler）展寬占據(jù)主導(dǎo)地位，一般用高斯線型（Gauss）描述[18]；3 當(dāng)壓力介于 0.008atm 和 1 atm 之間時(shí)，碰撞展寬和 Doppler 展寬都無(wú)法準(zhǔn)確的描述該函數(shù)，此時(shí)，我們通常用二者的卷積來(lái)描述并稱(chēng)之為 Voigt 線型。在函數(shù)中有一個(gè)參數(shù)為半高半峰寬（Halfwidthathalfitsmaximumvalue，HWHM）
【學(xué)位授予單位】：東北石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN248

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2630994