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基于TDLAS技术的痕量气体乙烯的检测分析系统

作　者: 陈迎迎
导　师: 孙兵
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 痕量气体检测 谐波检测 LabVIEW 可调谐二极管激光吸收光谱学
分类号: TH83
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


由于近年来工业的快速发展,导致我国大气污染现状非常严峻,而国家对于环境保护也日趋重视,针对气体污染物排放的监测,特别是对痕量气体的监测受到越来越多的关注,而且工业生产安全也急需要检测各种危险、易燃、易爆的痕量气体。但是目前,传统化学式测量方法在精度和速度都难以满足对痕量气体的检测,而光学非接触式的气体检测技术却可以弥补这些缺点,因此近年来发展十分迅速。其中基于可调谐二极管激光吸收光谱学(TDLAS)的气体检测技术以其无需预采样,精度高,响应快,多参数同时检测,无需手动标定等优势,成为了现在实时在线检测气体方法中发展最为快速的一种,特别是在有害的痕量气体的测量上有广泛的发展前景。本文研究的主要目的是检测在井下的痕量气体乙烯的浓度,同时通过改变光源本系统可以适用于其他痕量气体的检测,对痕量气体浓度检测有普遍借鉴价值。本系统选择将TDLAS技术中波长调制光谱学技术与长光程气体吸收池相结合的方法,使得系统可以达到很高的精度。特别是针对痕量气体弱信号的检测,采用二次谐波检测和棱镜反射式长光程池的方法进行检测,得到很好的效果。并且通过对红外吸收光谱学的理论推导,选择实验时的最佳参数,如谐波检测的次数,调制深度,气室压强等;在实验时也通过实验论证了这些数据,并通过实验得到可调谐二极管激光的最佳工作条件,其中的实验方法对其他类似的系统都有一定的借鉴意义。同时与其他同类原理设计的仪器不同的是对谐波检测用到的锁相放大器、信号发生器、倍频电路等进行了模块化的处理,减小了系统的体积、成本和精度,在便携式方向有一定借鉴意义,在气室设计和激光准直器设计上也有所改进。最后在获得实验数据后,对数据进行降噪预处理,有效减少了背景噪声的干扰和其他噪声产生的干扰,进一步提高了系统的准确度和灵敏度,在计算浓度上采用提取单吸收谱线信号进行线性拟合进行浓度反演,其上位机软件采用LabVIEW图形化的软件进行设计。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-15
  1.1 课题背景和意义  8-9
  1.2 现阶段痕量气体的常见检测方法  9-11
  1.3 TDLAS 技术国内外研究现状  11-13
  1.4 课题主要研究内容  13-15
第2章 可调谐激光二极管吸收光谱学技术  15-27
  2.1 近红外吸收光谱学技术  15-16
  2.2 近红外吸收光谱技术的测量原理  16-17
  2.3 TDLAS 技术的测量原理  17-18
  2.4 TDLAS 技术的测量方法  18-25
    2.4.1 直接吸收光谱测量技术  18-20
    2.4.2 调制光谱学技术  20-21
    2.4.3 最佳测量条件的选择  21-25
  2.5 本章小结  25-27
第3章 基于TDLAS 技术的系统设计  27-52
  3.1 系统总体设计  27-28
  3.2 发射单元  28-42
    3.2.1 光源  28-32
    3.2.2 激光驱动器  32-37
    3.2.3 调制信号源  37-39
    3.2.4 激光准直器  39-40
    3.2.5 长光程气体吸收池  40-42
  3.3 接收单元  42-49
    3.3.1 探测器  42-43
    3.3.2 前置放大器  43-44
    3.3.3 锁相放大器  44-48
    3.3.4 数据采集卡  48-49
  3.4 中央处理单元  49-51
    3.4.1 LabVIEW 软件  49
    3.4.2 软件编辑  49-51
  3.5 本章小结  51-52
第4章 实验及结果分析  52-63
  4.1 系统总体搭建  52-54
  4.2 可调谐DFB 激光器的调谐特性实验  54-56
    4.2.1 DFB 激光器的温度与波长关系实验  54-55
    4.2.2 DFB 激光器的注入电流与波长关系实验  55-56
  4.3 锁相放大器参数调整实验  56-57
    4.3.1 二阶带通滤波电路  56
    4.3.2 二阶移相滤波电路  56-57
  4.4 实验及结果分析  57-62
    4.4.1 测量痕量气体浓度实验  57-59
    4.4.2 数据分析  59-61
    4.4.3 系统最低检测限  61-62
  4.5 本章小结  62-63
结论  63-65
参考文献  65-70
致谢  70

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 成分分析仪器
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