基于可调谐激光吸收光谱技术的气体检测系统

发布时间：2017-10-27 10:26

  本文关键词：基于可调谐激光吸收光谱技术的气体检测系统

  更多相关文章： 可调谐二极管激光吸收光谱 二次谐波检测 全数字锁相 温度补偿 甲烷

【摘要】：随着石油、天然气、煤矿等工业的快速发展而产生的各种毒害气体迅速增加,气体中毒和爆炸等伤亡事件也不断增多,快速并准确的检测和警示有害气体的浓度及成分对环境保护、工况和人身安全十分重要。目前,国内常用的气体检测技术因存在检测精度、实时监测、气体选择性、寿命、操作流程、环境影响、检测响应度等方面的问题,无法满足一些实际检测的要求,与国外的检测水平存在一定差距。国内目前的研究大部分是基于二次谐波峰峰值与浓度值成正比的关系对低浓度气体进行的检测,而当气体浓度较高时二次谐波的峰峰值与气体浓度值不成正比,且存在环境温度对测量精度影响较大的问题,对高低浓度连续测量的研究较少。可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)气体检测技术是依据光源通过气室被气体吸收后输出光强的变化来检测气体浓度值,这种检测技术具有灵敏度高、精度高、响应速度快、不需要对气体做预处理等优势,在许多领域都有广泛的应用,如环境质量检测、光谱测量、分析衡量气体等。本文以甲烷气体为目标气体,针对基于光谱吸收的全浓度,宽温度范围内的高精度气体集成化在线检测系统进行了理论和实验研究,并详细研究了可调谐二极管吸收光谱气体检测技术,研究的主要内容如下:1)介绍了分子光谱理论,包括气体吸收谱线线性与线宽,为基于比尔-朗伯定律的气体检测技术提供了理论基础,根据HITRAN数据库,选取了系统检测采用的甲烷分子的吸收线,减少其他气体分子的交叉影响。2)研究了基于吸收光谱技术的气体传感系统的检测技术,包括差分吸收检测、调制与谐波检测技术,并对比了这两种检测方法,选择了基于波长调制谐波检测的原理设计本文的系统。3)根据检测要求选择1653.7nm窄线宽DFB激光器为光源,光谱响应范围为1100~1700nm的PIN光电二极管进行光电信号转换,采用多次反射型的气体吸收池组成光路部分,并设计了激光器的温度控制电路。4)基于函数发生器设计了准连续的激光器的调制信号和锁相参考信号,实现激光器在一定波长范围内自动连续调谐,结合全数字锁相放大技术,设计了微弱光电信号的检测电路。5)在室温下,以0~100%的不同浓度的甲烷为目标气体,分析扫描的二次谐波结果,进行数据处理。首先进行有效数据的提取及噪声分析,进行背景噪声扣除、平滑滤波,温度补偿等处理提高检测精度,通过最小二乘法拟合实现全浓度范围内的连续实时检测。6)在不同温度下,以5%的浓度甲烷为目标气体,分析系统在不同温度下的检测结果,并分析系统的检测灵敏度和噪声来源,实现了全温度范围内连续测量,且保证了系统具有高灵敏度、工作稳定等优势。实验结果表明:系统的检测误差范围(在浓度为0~1%的检测误差优于±0.02%,1%~100%的检测误差优于真值的±2%),响应时间小于10s,均在检测标准以内,通过长时间的测试和高低温测试,验证了该系统在宽温度范围(0~40℃)内工作性能稳定可靠。该系统满足煤矿检测标准的要求,为防治瓦斯突出灾害提供了保障。
【关键词】：可调谐二极管激光吸收光谱 二次谐波检测 全数字锁相 温度补偿 甲烷
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O657.3;TP274
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 论文研究背景及意义9-10
• 1.2 气体传感器的分类及常用传感器的工作原理10-14
• 1.2.1 半导体氧化物型气体传感器10-11
• 1.2.2 热学式气体传感器11-12
• 1.2.3 电化学式气体传感器12
• 1.2.4 磁性氧气传感器12
• 1.2.5 气相色谱式分析仪12-13
• 1.2.6 光纤气体传感器13-14
• 1.3 光谱吸收型传感器国内外的研究现状14-15
• 1.4 论文的主要研究内容15-17
• 第二章 可调谐二极管激光吸收光谱技术理论基础17-23
• 2.1 引言17
• 2.2 气体分子的光谱特征17-20
• 2.2.1 分子的能级结构17-18
• 2.2.2 谱线线型与线宽18-20
• 2.3 比尔-朗博定律20
• 2.4 甲烷吸收线的选择20-22
• 2.5 本章小结22-23
• 第三章 可调谐二极管激光吸收光谱气体传感系统的检测原理23-33
• 3.1 引言23
• 3.2 直接吸收检测原理23-24
• 3.3 差分吸收检测技术24-27
• 3.3.1 窄带光源差分吸收光谱技术25-26
• 3.3.2 宽带光源差分吸收光谱技术26-27
• 3.4 调制技术与谐波检测技术27-31
• 3.4.1 浓度调制技术27
• 3.4.2 光强调制技术27-28
• 3.4.3 谐波分析与波长调制技术28-31
• 3.5 检测方案的比较与选取31-32
• 3.6 本章小结32-33
• 第四章 可调谐二极管激光吸收光谱气体检测系统的基本构成33-46
• 4.1 引言33
• 4.2 TDLAS谐波检测系统的基本构成33-34
• 4.3 光路设计34-37
• 4.3.1 激光光源34-35
• 4.3.2 气室35-36
• 4.3.3 光电探测器36-37
• 4.4 电路设计37-44
• 4.4.1 光源的温度控制电路37-40
• 4.4.2 调制信号发生电路40-42
• 4.4.3 数据采集电路42-44
• 4.5 软件系统44-45
• 4.6 本章小结45-46
• 第五章 实验测量数据及结果分析46-53
• 5.1 引言46
• 5.2 甲烷气体谐波检测实验46
• 5.2.1 实验器材46
• 5.2.2 实验背景及步骤简述46
• 5.3 温度为 25℃时的测量实验46-49
• 5.3.1 扫描方案46
• 5.3.2 数据处理46-49
• 5.4 全浓度范围连续测量49-50
• 5.4.1 不同浓度气体的二次谐波信号49
• 5.4.2 系统浓度标定49-50
• 5.4.3 系统最终测试结果50
• 5.5 系统检测性能分析50-52
• 5.5.1 系统测量精度50-51
• 5.5.2 系统温度特性51
• 5.5.3 系统稳定度51-52
• 5.5.4 系统响应时间52
• 5.6 本章小结52-53
• 主要结论与展望53-54
• 主要结论53
• 展望53-54
• 致谢54-55
• 参考文献55-58
• 附录: 作者在攻读硕士学位期间发表的论文58

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 余稀;但涛;;光学式气体传感器的种类及应用[J];电子元件与材料;2013年12期

2 汪林安;;城市大气污染现状及其应对措施[J];资源节约与环保;2013年11期

3 齐洁;董小鹏;沈炎鑫;郑俊达;;基于扫描光源的光纤气体传感系统的研究[J];中国激光;2011年09期

4 赵燕杰;王昌;刘统玉;王哲;魏玉宾;李艳芳;尚盈;王黔;;基于光谱吸收的光纤甲烷监测系统在瓦斯抽采中的应用[J];光谱学与光谱分析;2010年10期

5 陈旭;王潇洵;刘斌;孙长库;;基于氧化锆传感器的烟气氧量检测系统[J];传感器与微系统;2009年11期

6 王晓娜;王琦;陈乐华;于清旭;;基于扫描光纤激光器的光纤传感解调仪研究[J];光子学报;2009年01期

7 李昂;谢品华;刘文清;刘建国;虞统;窦科;林艺辉;;被动差分光学吸收光谱法监测污染源排放总量研究[J];光学学报;2007年09期

8 陈玖英;刘建国;张玉钧;阚瑞峰;王敏;陈东;崔益本;;一种基于TDLAS谐波探测技术的甲烷传感器[J];大气与环境光学学报;2007年02期

9 陈玖英;刘建国;张玉钧;刘文清;阚瑞峰;王敏;陈东;崔益本;;调谐半导体激光吸收光谱自平衡检测方法研究[J];光学学报;2007年02期

10 李胜;肖兵;;基于TDLAS测量二氧化碳动态浓度与温度[J];自动化与信息工程;2006年04期

中国博士学位论文全文数据库 前4条

1 张可可;光谱吸收式光纤气体检测理论及技术研究[D];哈尔滨工程大学;2012年

2 李宁;基于可调谐激光吸收光谱技术的气体在线检测及二维分布重建研究[D];浙江大学;2008年

3 曲艺;甲烷与一氧化碳浓度光学检测[D];吉林大学;2006年

4 张景超;光纤光学式甲烷气体传感器的设计与实验研究[D];燕山大学;2006年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 管立君;基于近红外吸收原理的甲烷浓度检测研究[D];燕山大学;2008年

，

本文编号：1103098