近红外VCSEL型TDLAS氨气检测系统的研制

发布时间：2021-12-24 01:21

　　氨气（NH₃）是一种具有腐蚀性的有毒有害的工业气体,对皮肤组织有腐蚀和刺激作用。其对于大气质量、环境安全、人体健康等有着极大的危害,因此高精度的实时监测NH₃浓度对于维护环境质量、生存环境改善等有着巨大的推进作用,在对大气环境质量的准确预报、环境灾害的准确预警、工业的安全生产和减少燃爆事故的发生等方面具有重要的科学意义和社会意义。目前,TDLAS激光气体检测技术的研究与开发普遍采用DFB激光作为检测光源。该技术方案相对功耗较高且体积较大,这将TDLAS检测技术的应用限制在对功率不敏感的场合中。效率高、功率低、体积小是VCSEL型激光器的特点,针对功率敏感的应用,VCSEL激光器可以有效地改善TDLAS检测技术整个系统的功耗和体积问题。本论文在基金委国家重大科研仪器研制项目—“采用VCSEL核心激光光源的微型化普适型TDLAS气体检测系列模块的研制”（No.61727822）的支持下,深入分析VCSEL激光器作为核心光源的TDLAS检测技术,推导了检测过程中检测信号的变化过程,为NH₃检测系统的研制提供了理论依据。根据TD...

【文章来源】： 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省

【文章页数】：72 页

【文章目录】：
摘要
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第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 NH₃ 气体检测方法介绍
    1.3 可调谐半导体激光吸收光谱技术
    1.4 VCSEL垂直腔表面发射激光器的特点
    1.5 国内外研究现状和发展趋势
    1.6 论文主要研究内容
第2章 TDLAS气体浓度检测理论
    2.1 气体吸收光谱理论
        2.1.1 气体分子红外光谱学理论基础
        2.1.2 气体分子吸收光谱的谱线函数和谱线展宽
    2.2 TDLAS气体检测技术
        2.2.1 比尔朗伯定律
        2.2.2 TDLAS-WMS谐波检测原理
    2.3 单光路时分复用差分调制技术
    2.4 NH₃ 气体吸收谱线的选取
    2.5 本章小结
第3章 TDLAS气体检测技术的仿真研究
    3.1 激光器驱动信号仿真
    3.2 NH₃ 直接吸收过程仿真
    3.3 TDLAS-WMS检测系统仿真
    3.4 本章小结
第4章 VCSEL型 NH₃ 气体检测系统设计
    4.1 可调谐VCSEL激光器的选型
    4.2 VCSEL激光器小电流驱动电路
        4.2.1 阶梯分段式扫描信号发生电路
        4.2.2 时分复用正弦调制信号发生电路
        4.2.3 信号叠加电路
        4.2.4 压控恒流源电路
    4.3 VCSEL激光器高精度温度控制电路
        4.3.1 温度采集电路
        4.3.2 TEC制冷器驱动电路
        4.3.3 PID温度控制算法
    4.4 气室及光学结构设计
    4.5 光电探测器及预处理电路
        4.5.1 光电探测器的选择
        4.5.2 光电探测器前置放大电路
    4.6 锁相放大器
        4.6.1 锁相放大器分类
        4.6.2 锁相放大器选型
    4.7 主控芯片及外围电路部分
    4.8 本章小结
第5章 实验结果及分析
    5.1 激光器驱动信号测试
    5.2 激光器光谱输出测试
    5.3 光电探测器探测测试
    5.4 NH₃ 检测系统各项性能指标
        5.4.1 检测系统的标定
        5.4.2 系统检测下限
        5.4.3 系统检测准确度和误差分析
        5.4.4 系统稳定性
    5.5 本章小结
第6章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 研究展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]TDLAS技术气体检测二次谐波信号的仿真与分析 [J]. 王琳琳,贾明.  激光杂志. 2020(03)
[2]基于TDLAS的烟气中CO浓度混合取样式在线监测 [J]. 周佩丽,谭文,彭志敏.  仪器仪表学报. 2019(11)
[3]TDLAS直接吸收法测量CO2的基线选择方法 [J]. 朱晓睿,卢伟业,饶雨舟,李越胜,卢志民,姚顺春.  中国光学. 2017(04)
[4]基于亚波长光栅的VCSEL偏振控制研究 [J]. 江孝伟,关宝璐.  发光学报. 2017(06)
[5]TDLAS检测技术气体吸收过程的仿真研究 [J]. 刘昱峰,王彪,杨凯,陈垒,陈越,宁永强.  激光杂志. 2017(03)
[6]基于可调谐激光二极管吸收光谱的乙炔在线检测系统 [J]. 何启欣,刘慧芳,李彬,潘教青,王利军,郑传涛,王一丁.  光谱学与光谱分析. 2016(11)
[7]基于TDLAS-WMS的中红外痕量CH4检测仪 [J]. 曲世敏,王明,李楠.  光谱学与光谱分析. 2016(10)
[8]大气环境中先进与实用NH3测量技术进展 [J]. 张佳薇,王云龙,薛瑞,李明宝.  传感器与微系统. 2013(12)
[9]基于TDLAS技术的酒精气体浓度检测方法研究 [J]. 马志飞,张亚,李波,高婷婷.  山西电子技术. 2013(01)
[10]基于激光吸收光谱技术天然气管道泄漏定量遥测方法的研究 [J]. 张帅,刘文清,张玉钧,阮俊,阚瑞峰,尤坤,于殿强,董金婷,韩小磊.  物理学报. 2012(05)

硕士论文
[1]基于可调谐激光吸收光谱技术的逃逸氨检测系统研究[D]. 李艾宸.华北电力大学(北京). 2017
[2]基于TDLAS技术的氨气检测的研究[D]. 赵迎.天津大学. 2014
[3]可调谐垂直腔面发射激光器的研究[D]. 史国柱.北京工业大学. 2013
[4]基于近红外光谱吸收原理的气体传感研究[D]. 郑林.天津大学. 2012



本文编号：3549552