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光学式污染气体检测技术的研究

作　者: 王聪
导　师: 王玉田
学　校: 燕山大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 光纤传感差分检测 SLD 直角棱镜 Visual C++ 6.0
分类号: TH744.12
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

每一种气体都有固有的吸收谱,当光源的发射光波长与气体的吸收光波长相吻合时,就会发生共振吸收,其吸收强度与该气体的浓度有关,通过测量光的吸收强度就可测量气体的浓度。本文设计了实验方案,并对甲烷气体检测进行了实验研究。主要内容包括:分析和比较多种气体浓度检测方法,确定光谱吸收法作为本系统的理论方法。对光纤气体传感器在国内外的研究现状进行了较为全面的分析,并致力于在此基础上设计新的实验方案以提高现有气体传感器的测量精度和适用性。分析了气体分子的吸收线和甲烷气体的吸收谱线,确定采用超辐射发光二极管SLD作为系统光源,设计时间双光路差分检测系统。对SLD光源进行了自动温度控制电路设计。采用基于直角棱镜的吸收气室结构,探测光束在吸收池内往返的次数N与过两个直角棱镜各自直角棱的对称面的间距d有关,通过调节间距d可选择所需测量灵敏度。采用计算机的快速数据存储处理功能,以具有强大的软件开发能力的Visual C++ 6.0为工具,基于用户界面设计出该检测系统的实时动态监控软件,实现气体浓度的实时在线检测。根据实验室现有的实验条件和仪器设备,对所设计系统进行实验研究,包括系统灵敏度和分辨率及整个系统的标定实验,实验结果验证了系统的可行性。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-12
第1章绪论  12-21
  1.1 引言  12-13
  1.2 光纤气体传感器  13-16
  1.3 吸收式光纤气体传感器的研究现状  16-18
  1.4 课题来源、目的及意义  18-19
    1.4.1 课题来源  18-19
    1.4.2 课题研究的目的及意义  19
  1.5 课题主要研究内容  19-21
第2章光谱吸收式光纤气体传感原理  21-40
  2.1 引言  21
  2.2 气体分子近红外选择吸收  21-24
    2.2.1 气体分子近红外选择吸收理论  21-22
    2.2.2 气体分子的典型吸收线  22-23
    2.2.3 甲烷气体吸收谱线的选择  23-24
  2.3 光纤气体传感用光源  24-27
    2.3.1 发光二极管LED  25
    2.3.2 半导体激光器  25-26
    2.3.3 超辐射发光二极管SLD  26-27
  2.4 光纤传输特性  27-28
  2.5 敏感元件(吸收气室)结构  28-30
  2.6 光探测器件  30-33
    2.6.1 光探测器的特性参数  30-32
    2.6.2 光探测器等效电路  32-33
  2.7 光纤连接耦合  33-35
    2.7.1 光纤与光纤的连接  33
    2.7.2 光纤与光源和探测器的耦合  33-34
    2.7.3 光纤与气室的耦合  34-35
  2.8 微弱信号检测技术  35-38
    2.8.1 光电信号的相关检测  36-37
    2.8.2 光电信号的锁相放大电路  37-38
  2.9 本章小结  38-40
第3章气体传感系统设计  40-51
  3.1 引言  40
  3.2 光谱吸收法测量气体的基本原理  40-41
  3.3 差分吸收检测  41-46
    3.3.1 差分吸收检测原理  41-43
    3.3.2 宽带光源LED 差分吸收检测  43-44
    3.3.3 窄带光源的差分吸收检测  44-46
  3.4 谐波检测  46-50
    3.4.1 窄带光源谐波检测及系统设计  46-48
    3.4.2 宽带光源谐波检测  48-50
  3.5 系统检测方案的确定  50
  3.6 本章小结  50-51
第4章光学式污染气体检测技术的研究  51-78
  4.1 引言  51
  4.2 光源驱动系统设计  51-54
    4.2.1 系统光源的确定  51-52
    4.2.2 “恒流源+温控”方案  52-53
    4.2.3 SLD 光源自动温度控制电路分析  53-54
  4.3 光纤链路与气室设计  54-60
    4.3.1 光纤链路  54-55
    4.3.2 气室设计  55-60
  4.4 气体吸收的微弱信号检测电路设计  60-70
    4.4.1 前置放大电路设计  60-64
    4.4.2 滤波电路设计  64-67
    4.4.3 锁相放大电路设计  67-70
  4.5 滤光片切换系统  70-71
  4.6 单片机数据处理系统  71-73
    4.6.1 硬件电路设计  71-73
    4.6.2 软件设计  73
  4.7 检测系统实时动态监控系统设计  73-76
    4.7.1 Visual C++ 6.0 语言特点  73-75
    4.7.2 系统软面板设计  75-76
  4.8 本章小结  76-78
第5章光学式污染气体检测系统性能及实验研究  78-88
  5.1 引言  78
  5.2 系统所需的主要元器件参数  78-80
    5.2.1 SLD 的光学特性、恒流驱动  78-79
    5.2.2 其他主要元件特性参数  79-80
  5.3 光纤链路损耗实验  80-82
  5.4 系统的灵敏度  82-83
  5.5 甲烷气体吸收实验  83-84
  5.6 整体系统的标定实验  84-87
    5.6.1 示值对比实验  84-85
    5.6.2 交叉灵敏度实验  85-86
    5.6.3 重复性实验  86
    5.6.4 稳定度测定实验  86-87
  5.7 本章小结  87-88
结论  88-90
参考文献  90-95
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  95-96
致谢  96-97
作者简介  97

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