本文關(guān)鍵詞：基于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)的氣體檢測系統(tǒng)

  更多相關(guān)文章： 可調(diào)諧二極管激光吸收光譜 二次諧波檢測 全數(shù)字鎖相 溫度補償 甲烷

【摘要】：隨著石油、天然氣、煤礦等工業(yè)的快速發(fā)展而產(chǎn)生的各種毒害氣體迅速增加,氣體中毒和爆炸等傷亡事件也不斷增多,快速并準確的檢測和警示有害氣體的濃度及成分對環(huán)境保護、工況和人身安全十分重要。目前,國內(nèi)常用的氣體檢測技術(shù)因存在檢測精度、實時監(jiān)測、氣體選擇性、壽命、操作流程、環(huán)境影響、檢測響應度等方面的問題,無法滿足一些實際檢測的要求,與國外的檢測水平存在一定差距。國內(nèi)目前的研究大部分是基于二次諧波峰峰值與濃度值成正比的關(guān)系對低濃度氣體進行的檢測,而當氣體濃度較高時二次諧波的峰峰值與氣體濃度值不成正比,且存在環(huán)境溫度對測量精度影響較大的問題,對高低濃度連續(xù)測量的研究較少�？烧{(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)氣體檢測技術(shù)是依據(jù)光源通過氣室被氣體吸收后輸出光強的變化來檢測氣體濃度值,這種檢測技術(shù)具有靈敏度高、精度高、響應速度快、不需要對氣體做預處理等優(yōu)勢,在許多領(lǐng)域都有廣泛的應用,如環(huán)境質(zhì)量檢測、光譜測量、分析衡量氣體等。本文以甲烷氣體為目標氣體,針對基于光譜吸收的全濃度,寬溫度范圍內(nèi)的高精度氣體集成化在線檢測系統(tǒng)進行了理論和實驗研究,并詳細研究了可調(diào)諧二極管吸收光譜氣體檢測技術(shù),研究的主要內(nèi)容如下:1)介紹了分子光譜理論,包括氣體吸收譜線線性與線寬,為基于比爾-朗伯定律的氣體檢測技術(shù)提供了理論基礎(chǔ),根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫,選取了系統(tǒng)檢測采用的甲烷分子的吸收線,減少其他氣體分子的交叉影響。2)研究了基于吸收光譜技術(shù)的氣體傳感系統(tǒng)的檢測技術(shù),包括差分吸收檢測、調(diào)制與諧波檢測技術(shù),并對比了這兩種檢測方法,選擇了基于波長調(diào)制諧波檢測的原理設(shè)計本文的系統(tǒng)。3)根據(jù)檢測要求選擇1653.7nm窄線寬DFB激光器為光源,光譜響應范圍為1100~1700nm的PIN光電二極管進行光電信號轉(zhuǎn)換,采用多次反射型的氣體吸收池組成光路部分,并設(shè)計了激光器的溫度控制電路。4)基于函數(shù)發(fā)生器設(shè)計了準連續(xù)的激光器的調(diào)制信號和鎖相參考信號,實現(xiàn)激光器在一定波長范圍內(nèi)自動連續(xù)調(diào)諧,結(jié)合全數(shù)字鎖相放大技術(shù),設(shè)計了微弱光電信號的檢測電路。5)在室溫下,以0~100%的不同濃度的甲烷為目標氣體,分析掃描的二次諧波結(jié)果,進行數(shù)據(jù)處理。首先進行有效數(shù)據(jù)的提取及噪聲分析,進行背景噪聲扣除、平滑濾波,溫度補償?shù)忍幚硖岣邫z測精度,通過最小二乘法擬合實現(xiàn)全濃度范圍內(nèi)的連續(xù)實時檢測。6)在不同溫度下,以5%的濃度甲烷為目標氣體,分析系統(tǒng)在不同溫度下的檢測結(jié)果,并分析系統(tǒng)的檢測靈敏度和噪聲來源,實現(xiàn)了全溫度范圍內(nèi)連續(xù)測量,且保證了系統(tǒng)具有高靈敏度、工作穩(wěn)定等優(yōu)勢。實驗結(jié)果表明:系統(tǒng)的檢測誤差范圍(在濃度為0~1%的檢測誤差優(yōu)于±0.02%,1%~100%的檢測誤差優(yōu)于真值的±2%),響應時間小于10s,均在檢測標準以內(nèi),通過長時間的測試和高低溫測試,驗證了該系統(tǒng)在寬溫度范圍(0~40℃)內(nèi)工作性能穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)滿足煤礦檢測標準的要求,為防治瓦斯突出災害提供了保障。
【關(guān)鍵詞】：可調(diào)諧二極管激光吸收光譜 二次諧波檢測 全數(shù)字鎖相 溫度補償 甲烷
【學位授予單位】：江南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O657.3;TP274
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-17
• 1.1 論文研究背景及意義9-10
• 1.2 氣體傳感器的分類及常用傳感器的工作原理10-14
• 1.2.1 半導體氧化物型氣體傳感器10-11
• 1.2.2 熱學式氣體傳感器11-12
• 1.2.3 電化學式氣體傳感器12
• 1.2.4 磁性氧氣傳感器12
• 1.2.5 氣相色譜式分析儀12-13
• 1.2.6 光纖氣體傳感器13-14
• 1.3 光譜吸收型傳感器國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀14-15
• 1.4 論文的主要研究內(nèi)容15-17
• 第二章 可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)理論基礎(chǔ)17-23
• 2.1 引言17
• 2.2 氣體分子的光譜特征17-20
• 2.2.1 分子的能級結(jié)構(gòu)17-18
• 2.2.2 譜線線型與線寬18-20
• 2.3 比爾-朗博定律20
• 2.4 甲烷吸收線的選擇20-22
• 2.5 本章小結(jié)22-23
• 第三章 可調(diào)諧二極管激光吸收光譜氣體傳感系統(tǒng)的檢測原理23-33
• 3.1 引言23
• 3.2 直接吸收檢測原理23-24
• 3.3 差分吸收檢測技術(shù)24-27
• 3.3.1 窄帶光源差分吸收光譜技術(shù)25-26
• 3.3.2 寬帶光源差分吸收光譜技術(shù)26-27
• 3.4 調(diào)制技術(shù)與諧波檢測技術(shù)27-31
• 3.4.1 濃度調(diào)制技術(shù)27
• 3.4.2 光強調(diào)制技術(shù)27-28
• 3.4.3 諧波分析與波長調(diào)制技術(shù)28-31
• 3.5 檢測方案的比較與選取31-32
• 3.6 本章小結(jié)32-33
• 第四章 可調(diào)諧二極管激光吸收光譜氣體檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成33-46
• 4.1 引言33
• 4.2 TDLAS諧波檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成33-34
• 4.3 光路設(shè)計34-37
• 4.3.1 激光光源34-35
• 4.3.2 氣室35-36
• 4.3.3 光電探測器36-37
• 4.4 電路設(shè)計37-44
• 4.4.1 光源的溫度控制電路37-40
• 4.4.2 調(diào)制信號發(fā)生電路40-42
• 4.4.3 數(shù)據(jù)采集電路42-44
• 4.5 軟件系統(tǒng)44-45
• 4.6 本章小結(jié)45-46
• 第五章 實驗測量數(shù)據(jù)及結(jié)果分析46-53
• 5.1 引言46
• 5.2 甲烷氣體諧波檢測實驗46
• 5.2.1 實驗器材46
• 5.2.2 實驗背景及步驟簡述46
• 5.3 溫度為 25℃時的測量實驗46-49
• 5.3.1 掃描方案46
• 5.3.2 數(shù)據(jù)處理46-49
• 5.4 全濃度范圍連續(xù)測量49-50
• 5.4.1 不同濃度氣體的二次諧波信號49
• 5.4.2 系統(tǒng)濃度標定49-50
• 5.4.3 系統(tǒng)最終測試結(jié)果50
• 5.5 系統(tǒng)檢測性能分析50-52
• 5.5.1 系統(tǒng)測量精度50-51
• 5.5.2 系統(tǒng)溫度特性51
• 5.5.3 系統(tǒng)穩(wěn)定度51-52
• 5.5.4 系統(tǒng)響應時間52
• 5.6 本章小結(jié)52-53
• 主要結(jié)論與展望53-54
• 主要結(jié)論53
• 展望53-54
• 致謝54-55
• 參考文獻55-58
• 附錄: 作者在攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文58

【參考文獻】

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本文編號：1103098