發(fā)布時(shí)間：2020-11-08 17:58

　　 乙炔是一種主要應(yīng)用于金屬燒焊領(lǐng)域的易燃易爆氣體,對(duì)于乙炔的高精度檢測具有重要價(jià)值。目前用于乙炔氣體檢測的常規(guī)方法有催化燃燒檢測法,電化學(xué)檢測法和氣相色譜檢測法等,但這幾種方法分別存在選擇性差、傳感器漂移大和預(yù)處理時(shí)間長等弊端。應(yīng)用TDLAS技術(shù)檢測乙炔氣體濃度具有選擇性高、響應(yīng)時(shí)間短、檢測精度高、穩(wěn)定度強(qiáng)等優(yōu)勢,可以彌補(bǔ)其他檢測方法的缺點(diǎn),本論文即采用TDLAS技術(shù)研制了一套乙炔氣體檢測系統(tǒng)。深入分析了氣體分子吸收光譜學(xué),結(jié)合激光器的發(fā)光特性和光電探測器的工作特點(diǎn),選取用于乙炔氣體濃度檢測的紅外吸收波長。完成了對(duì)TDLAS技術(shù)的基礎(chǔ)理論—比爾朗伯定律,以及關(guān)鍵技術(shù)--波長調(diào)制技術(shù)和諧波檢測技術(shù)的原理分析和理論推導(dǎo),為乙炔氣體濃度檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論支撐。完成了TDLAS型乙炔氣體檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì),包括主控模塊、激光器電流驅(qū)動(dòng)模塊、激光器溫度控制模塊、光電信號(hào)采集及處理模塊以及通信模塊等。特別地,本論文充分考慮了氣體檢測方法中單雙光路的優(yōu)缺點(diǎn),提出了一種用于TDLAS技術(shù)的單光路時(shí)分復(fù)用背景噪聲去除式激光調(diào)制方案,該方案可以從直流和交流兩方面因素造成的影響去除背景噪聲,并簡化系統(tǒng)復(fù)雜度,縮小系統(tǒng)體積;此外,設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)光程氣室,控制光程調(diào)節(jié)桿可以有效改變激光在氣室內(nèi)穿過氣體的光程,并且通過多反射的方式增加光程,達(dá)到小體積長光程的目的。最后,本論文完成了對(duì)所設(shè)計(jì)的乙炔檢測系統(tǒng)的標(biāo)定,并分別從系統(tǒng)檢測誤差、檢測精度、檢測穩(wěn)定度和檢測單一性等多方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,本系統(tǒng)在檢測10-1000ppm濃度范圍內(nèi)的乙炔氣體時(shí),系統(tǒng)檢測精度為10ppm,檢測誤差隨著檢測濃度的增大而減小,且系統(tǒng)對(duì)于乙炔氣體濃度的檢測具有良好的穩(wěn)定性和檢測單一性。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TQ221.242;TH744.4
【文章目錄】：
摘要
abstract
第1章 緒論
    1.1 課題研究背景及意義
    1.2 常見乙炔氣體濃度檢測技術(shù)
    1.3 TDLAS可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)
    1.4 TDLAS技術(shù)檢測氣體濃度的研究現(xiàn)狀
    1.5 本文的主要研究內(nèi)容
第2章 氣體分子紅外吸收光譜理論
    2.1 吸收光譜理論
        2.1.1 氣體分子能級(jí)結(jié)構(gòu)
        2.1.2 氣體分子吸收光譜
    2.2 紅外吸收光譜譜線展寬和線型函數(shù)
        2.2.1 譜線展寬
        2.2.2 譜線函數(shù)
    2.3 乙炔氣體紅外吸收譜線選擇
    2.4 本章小結(jié)
第3章 基于TDLAS的乙炔氣體濃度檢測技術(shù)研究
    3.1 比爾朗伯定律
    3.2 TDLAS-WMS波長調(diào)制光譜技術(shù)
    3.3 基于鎖相放大器的諧波檢測技術(shù)
    3.4 本章小結(jié)
第4章 TDLAS型乙炔氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    4.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
    4.2 主控模塊
        4.2.1 主控芯片的選擇
        4.2.2 主控芯片的外圍電路
    4.3 光源模塊
        4.3.1 可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器選型
        4.3.2 激光器溫度控制模塊
        4.3.3 激光器電流驅(qū)動(dòng)模塊
    4.4 氣室及光學(xué)結(jié)構(gòu)模塊
    4.5 光信號(hào)接收與預(yù)處理模塊
    4.6 基于鎖相放大器的二次諧波信號(hào)提取模塊
    4.7 數(shù)據(jù)采集與處理模塊
        4.7.1 數(shù)據(jù)采集單元
        4.7.2 數(shù)據(jù)處理
    4.8 通信接口模塊
    4.9 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    4.10 本章小結(jié)
第5章 實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果分析
    5.1 配氣
    5.2 乙炔氣體濃度檢測實(shí)驗(yàn)
        5.2.1 檢測系統(tǒng)響應(yīng)
        5.2.2 檢測系統(tǒng)標(biāo)定
        5.2.3 系統(tǒng)檢測誤差及檢測下限
        5.2.4 檢測精度及穩(wěn)定性
        5.2.5 系統(tǒng)檢測單一性
    5.3 本章小結(jié)
第6章 總結(jié)與研究展望
    6.1 總結(jié)
    6.2 研究展望
參考文獻(xiàn)
致謝
作者簡歷及攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果

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本文編號(hào)：2875132