基于TDLAS的激光遥测甲烷浓度技术的研究
发布时间：2023-02-09 19:40
瓦斯监测是矿井安全监控最重要的组成部分,我国矿井中使用的瓦斯检测技术主要是传统的光干涉技术和热催化技术,这些技术受采矿环境影响颇大,而且精度低、可靠性差,所以本文研究了一种测量气体浓度的热点技术,设计实用的激光遥测甲烷浓度系统。 系统采用了大气成分测量中颇为成熟的技术:可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS),利用这种激光吸收光谱技术可以针对矿井中恶劣多变的环境可靠精确地测量出井下瓦斯气体的浓度。本课题在前人研究的探测系统技术基础下,引入了一次谐波和二次谐波信号比值与探测气体浓度关系的研究,针对以前系统需要气室、谐波信号微弱等缺点加以改进,使系统具有遥测能力,克服激光光强受背景气体、粉尘等因素所造成的衰减,能够利用微弱的探测谐波信号算出准确的气体浓度。 通过理论分析,激光的中心波长设定为1654nm,把激光频率锁定在甲烷气体的强吸收带,发射的激光透射过被测气体区域,经目标物体反射至透镜,然后由系统接收。应用一种通过检测反射回来的光信号的一次谐波和二次谐波分量就能最终确定甲烷气体的浓度的方法。系统采用ARM(S3C2440A)作为控制计算和存储芯片,针对理论系统相应的设计了S3C2440A的...
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题的研究意义及发展现状
1.1.1 研究甲烷气体的重要意义
1.1.2 矿井甲烷检测技术研究的重要性
1.2 激光遥测甲烷浓度检测技术的研究现状
1.2.1 甲烷浓度测量方法的发展状况
1.2.2 可调谐二极管激光吸收光谱技术的应用
1.3 本课题的研究目标
1.4 文章的主要任务及结构
第二章 激光吸收光谱技术
2.1 基本光谱学原理
2.1.1 基本光谱学知识
2.1.2 光谱的特征
2.1.3 Lambert-Beer 定律
2.1.4 激光吸收光谱的特点
2.1.5 光谱线的线宽和线型
2.2 可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）
2.2.1 频率调制光谱技术
2.2.2 二次谐波测量原理
2.2.3 浓度测量的算法
2.3 甲烷气体的吸收谱线
2.3.1 HITRAN 数据库
2.3.2 甲烷气体的结构及吸收谱线
2.3.3 其他气体对甲烷吸收的影响
2.4 谐波检测技术
2.4.1 谐波信号提取方法的分析
2.4.2 锁相放大器
2.5 本章小结
第三章 激光遥测甲烷浓度系统的设计
3.1 系统构架设计
3.1.1 系统的原理构架
3.1.2 系统测量流程
3.2 激光器模块的设计
3.2.1 激光二极管的选型
3.2.2 DFB 激光二极管
3.3 光电探测器的设计
3.3.1 光电探测器的选型
3.3.2 信号放大电路
3.4 锁相放大器模块
3.5 S3C2440ARM 微处理器
3.5.1 ARM 架构及内核
3.5.2 S3C2440ARM 性能介绍
3.6 数据处理模块设计
3.6.1 模/数转换接口
3.6.2 S3C2440A 的A/D 转换器
3.6.3 A/D 接口编程
3.7 最小系统的硬件配置
3.7.1 系统整体配置
3.7.2 电源模块设计
3.7.3 复位模块设计
3.7.4 NAND Flash 的扩展
3.7.5 JTAG 接口设计
3.7.6 串行接口设计
3.7.7 晶振时钟的设计
3.7.8 LCD 模块设计
3.7.9 USB 接口设计
3.8 本章小结
第四章 Linux 操作系统的移植
4.1 嵌入式操作系统
4.1.1 操作系统的概念和分类
4.1.2 Linux 操作系统概述
4.2 嵌入式Linux 软件设计
4.2.1 软件开发流程
4.2.2 Bootloader 引导程序
4.2.3 Linux 的移植
4.2.4 Linux 内核的修改及编译
4.2.5 文件系统及Linux 的下载
4.3 设备驱动程序
4.4 本章小结
第五章 激光遥测甲烷浓度系统的软件设计
5.1 测量系统软件流程
5.2 数据处理的模式
5.3 实验仿真结果
5.4 测量影响因素分析
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 课题总结
6.2 课题展望
参考文献
发表论文和参加科研情况说明
致谢
本文编号：3739134
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
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中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题的研究意义及发展现状
1.1.1 研究甲烷气体的重要意义
1.1.2 矿井甲烷检测技术研究的重要性
1.2 激光遥测甲烷浓度检测技术的研究现状
1.2.1 甲烷浓度测量方法的发展状况
1.2.2 可调谐二极管激光吸收光谱技术的应用
1.3 本课题的研究目标
1.4 文章的主要任务及结构
第二章 激光吸收光谱技术
2.1 基本光谱学原理
2.1.1 基本光谱学知识
2.1.2 光谱的特征
2.1.3 Lambert-Beer 定律
2.1.4 激光吸收光谱的特点
2.1.5 光谱线的线宽和线型
2.2 可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）
2.2.1 频率调制光谱技术
2.2.2 二次谐波测量原理
2.2.3 浓度测量的算法
2.3 甲烷气体的吸收谱线
2.3.1 HITRAN 数据库
2.3.2 甲烷气体的结构及吸收谱线
2.3.3 其他气体对甲烷吸收的影响
2.4 谐波检测技术
2.4.1 谐波信号提取方法的分析
2.4.2 锁相放大器
2.5 本章小结
第三章 激光遥测甲烷浓度系统的设计
3.1 系统构架设计
3.1.1 系统的原理构架
3.1.2 系统测量流程
3.2 激光器模块的设计
3.2.1 激光二极管的选型
3.2.2 DFB 激光二极管
3.3 光电探测器的设计
3.3.1 光电探测器的选型
3.3.2 信号放大电路
3.4 锁相放大器模块
3.5 S3C2440ARM 微处理器
3.5.1 ARM 架构及内核
3.5.2 S3C2440ARM 性能介绍
3.6 数据处理模块设计
3.6.1 模/数转换接口
3.6.2 S3C2440A 的A/D 转换器
3.6.3 A/D 接口编程
3.7 最小系统的硬件配置
3.7.1 系统整体配置
3.7.2 电源模块设计
3.7.3 复位模块设计
3.7.4 NAND Flash 的扩展
3.7.5 JTAG 接口设计
3.7.6 串行接口设计
3.7.7 晶振时钟的设计
3.7.8 LCD 模块设计
3.7.9 USB 接口设计
3.8 本章小结
第四章 Linux 操作系统的移植
4.1 嵌入式操作系统
4.1.1 操作系统的概念和分类
4.1.2 Linux 操作系统概述
4.2 嵌入式Linux 软件设计
4.2.1 软件开发流程
4.2.2 Bootloader 引导程序
4.2.3 Linux 的移植
4.2.4 Linux 内核的修改及编译
4.2.5 文件系统及Linux 的下载
4.3 设备驱动程序
4.4 本章小结
第五章 激光遥测甲烷浓度系统的软件设计
5.1 测量系统软件流程
5.2 数据处理的模式
5.3 实验仿真结果
5.4 测量影响因素分析
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 课题总结
6.2 课题展望
参考文献
发表论文和参加科研情况说明
致谢
本文编号：3739134
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