TDLAS激光器前端驱动系统设计与实现

发布时间：2020-04-17 14:53

【摘要】：近年来,化工、建筑等行业以破竹之势迅猛发展,他们带来了巨大经济效益的同时也带来了大量的污染物,这些污染物质在大气中严重威胁了我们的身心健康,密闭气室内一些气体浓度超标严重还可能引发爆炸等危险行为,因此实时准确的检测这些气体的浓度具有极其重要的意义。TDLAS气体检测系统因其具有响应速度快、精度高、受外界影响小等优点受到了人们极大地青睐。针对甲烷气体检测的问题,基于TDLAS光学理论设计并实现了TDLAS检测系统的前端驱动部分。对传统的检测方法与TDLAS检测方法的优缺点进行对比分析,阐述了TDLAS检测系统应用的基本理论知识,详细介绍了前端驱动系统的软硬件设计部分,主要包括激光器恒流源驱动、激光器温度控制、恒流源驱动板和温控板PCB制作。驱动信号主要包括直流偏置信号、低频锯齿扫描信号、高频正弦调制信号等。该直流偏置值对应于甲烷气体主吸收峰的波长,低频锯齿描信号的作用是围绕甲烷气体吸收峰进行低频扫描,高频正弦调制波的作用是将低频信号和直流偏置信号进行载波,提高系统的抗干扰能力和信噪比。为了避免高频噪声干扰,设计采用LTC1064构成四阶滤波系统,采用负反馈调节稳定输出电流,从而实现激光器的恒流源驱动。设计了激光器高精度温度闭环控制系统。由于激光器发出的波长是驱动电流和温度的二元函数,为了实现对激光器发出波长快速、准确和稳定的控制,首先对抗积分饱和PID算法和神经网络PID算法进行仿真试验,并最终完成抗积分饱和PID算法的实际控制,实验结果表明,温度控制精度达到了±0.008℃,实现了激光器对高精度温度控制的要求。经验证,激光器可以发出对应甲烷气体吸收峰1653.72nm波长的激光,并且可以围绕中心波长进行低频扫描,波长控制准确稳定。
【图文】：

配置图,甲烷吸收,配置图,谱线

气体吸收光子能量之后形成了气体的吸收光谱，分子的能量主要由三部分构成具体公式如下：e v JE E E E（2-2）其中： —电子能量； —振动能量； —转动能量；分子运动和状态受这三种能量的影响，一般多原子的分子结构较为复杂，拥有更多的能级和光谱。2.2 HITRAN 吸收光谱在应用 TDLAS 原理进行气体检测时，通常都是以待测气体一条谱线展开的，其中心频率固定，但是，在 HITRAN 数据库中，甲烷气体吸收谱线有上万条，想要提高检测的精度，需要对这些谱线逐一分析和比较，从这些甲烷吸收谱线中，找出一条吸收强并且与其他气体吸收谱线没有交集的谱线作为激光器气体检测谱线。目前，国际上有很多光谱数据库，包括 HITRAN、PNNL 和 NIST 等，其中 HITRAN 是发展最早，也是目前应用最为广泛的数据库，参数比较全面详细，因此选用美国 HITRAN 对甲烷气体吸收谱线进行检索，，参数设置如图 2.2 所示：

吸收谱线,吸收谱线,甲烷气体

因此本次设计选定中心波长 1653.72nm 作为实验检测波长。图 2.3 甲烷气体吸收谱线图2.3 吸收线型用来描述激光与待测气体间相互作用的谱线变化规律的函数叫做吸收线型函数 ( 0)，线型函数与温度、气压以及分子内部构成有直接关系，气体吸收谱线因受到展宽效应的影响发生一定的展宽。气体吸收谱线的展宽一般分为以下三种：1 高于 1atm 为高压，碰撞展宽占据主导地位，一般用洛伦兹线型（Lorentz）描述；2 低于 0.008atm 为低压，多普勒（Doppler）展宽占据主导地位，一般用高斯线型（Gauss）描述[18]；3 当压力介于 0.008atm 和 1 atm 之间时，碰撞展宽和 Doppler 展宽都无法准确的描述该函数，此时，我们通常用二者的卷积来描述并称之为 Voigt 线型。在函数中有一个参数为半高半峰宽（Halfwidthathalfitsmaximumvalue，HWHM）
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248

【参考文献】