基于TDLAS气体检测系统中非标定波长调制技术的研究

发布时间：2017-08-23 03:05

  本文关键词：基于TDLAS气体检测系统中非标定波长调制技术的研究

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【摘要】：可调谐半导体激光光谱吸收(TDLAS)技术是气体浓度、温度、压强、流速等参数测量中的常见方法,随着稳定可靠、窄带宽、可在室温下使用的可调谐激光器的出现,TDLAS技术近年来飞速发展,在气体检测领域应用广泛。基于TDLAS进行气体浓度检测主要有直接吸收和波长调制两种方法。直接吸收方法简单、无需标定,但是在低浓度吸收情况下误差较大;波长调制方法通过在低频信号上叠加高频调制信号,有效抑制了低频噪声,系统灵敏度较高。但常用的标定方法并不能满足实际应用的要求,随着TDLAS技术的不断发展,非标定波长调制方法逐步得到关注。本文基于非标定TDLAS技术实现对甲烷气体浓度的实时检测,主要研究内容如下:首先,以比尔-朗伯定理为基础,介绍气体吸收谱线的线强度、线型等相关理论。介绍HITRAN数据库,并通过查询数据库选定甲烷气体吸收谱线位置,计算相关参数。研究直接吸收和波长调制方法的基本理论,利用傅里叶展开得到各次谐波信号,总结和分析谐波信号检测过程中的不确定因素。其次,介绍并建立了基于TDLAS技术的甲烷气体检测系统,通过实验分析调制参数对谐波信号的影响,并选定合适的调制参数。利用直接吸收和波长调制技术对甲烷气体吸收光谱进行测量和浓度计算。通过实验和仿真分析温度对谐波信号检测的影响。之后,给出拟合测量和模拟二次谐波信号实现非标定波长调制检测的方法。利用Matlab对基于TDLAS的甲烷气体检测系统进行建模与仿真,提出通过拟合输入激光强度对谐波信号进行归一化,消除激光强度变化对谐波信号幅值的影响。分析曲线拟合过程中各自由参量的影响,介绍用于曲线拟合的最小二乘法。最后,利用拟合方法进行甲烷气体浓度检测实验并分析了系统性能的影响因素,计算得到气体浓度参数,与直接吸收和传统波长调制方法得到的结果十分吻合。
【关键词】：激光光谱学 TDLAS 直接吸收 波长调制 非标定
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD76;TN247
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 课题的研究背景与意义10-12
• 1.2 TDLAS技术的国内外研究现状12-15
• 1.2.1 国外研究现状12-14
• 1.2.2 国内研究现状14-15
• 1.3 本文主要研究内容15-16
• 1.4 本文的组织结构16-17
• 第二章 TDLAS气体检测系统基本原理17-29
• 2.1 TDLAS气体检测基本原理17-21
• 2.1.1 比尔-朗伯定理17-18
• 2.1.2 线强度18
• 2.1.3 线型函数18-20
• 2.1.4 HITRAN数据库20-21
• 2.2 直接吸收（TDLAS-DAS）21-22
• 2.3 波长调制（TDLAS-WMS）和谐波检测22-25
• 2.4 影响二次谐波检测的不确定性因素25-27
• 2.4.1 影响WMS模型的因素25-26
• 2.4.2 噪声26-27
• 2.4.2.1 剩余幅度调制噪声26
• 2.4.2.2 激光器额外噪声26
• 2.4.2.3 标准具噪声26
• 2.4.2.4 背景吸收噪声26
• 2.4.2.5 探测器噪声26-27
• 2.4.3 环境因素27
• 2.5 本章小结27-29
• 第三章 TDLAS-DAS和TDLAS-WMS系统研究29-47
• 3.1 基于TDLAS甲烷气体检测系统实验平台29-37
• 3.1.1 激光光源30-32
• 3.1.2 气室32
• 3.1.3 探测器32-33
• 3.1.4 锁相放大器33-37
• 3.2 调制参数选择37-38
• 3.3 直接吸收38-41
• 3.4 波长调制实验41-44
• 3.5 温度影响实验44-46
• 3.6 本章小结46-47
• 第四章 非标定波长调制模型47-58
• 4.1 非标定波长调制方案47-49
• 4.2 波长调制光谱建模49-53
• 4.2.1 光源模块49-50
• 4.2.2 气室模块50-51
• 4.2.3 数据检测和处理模块51-53
• 4.3 二次谐波信号归一化53-55
• 4.4 二次谐波信号拟合55-57
• 4.5 本章小结57-58
• 第五章 非标定波长调制实验58-65
• 5.1 非标定浓度反演实验58-62
• 5.2 系统性能分析62-64
• 5.2.1 系统灵敏度62
• 5.2.2 系统分辨率62-63
• 5.2.3 系统稳定性63
• 5.2.4 系统影响因素63-64
• 5.3 本章小结64-65
• 第六章 总结与展望65-67
• 致谢67-68
• 参考文献68-72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：722587