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基于光谱吸收法的乙烯气体浓度检测系统研究

作　者: 杨雪玲
导　师: 曹叶文
学　校: 山东大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 光纤气体传感 谐波检测 锁相放大器 Labview
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


乙烯是石油化工的基本原料之一,也是石油化工产业的核心,乙烯的化学性质活跃,属于易燃易爆气体,检测空气及设备中的乙烯浓度是保证安全的必要条件。光纤传感器与传统的传感器相比,具有突出的优点：灵敏度高；抗电磁干扰；传输损耗低,测量范围宽,精度高；寿命长,工作稳定。正是这些优点大大促进了光纤传感技术的发展。本文以乙烯气体为研究目标,设计了一种光纤气体传感系统,基本理论是谐波检测技术、光谱吸收式光纤传感技术及labview,检测乙烯气体浓度的基本原理是朗伯比尔定律,但出射光强度较微弱,本文选择了长光程吸收,DFB LD(分布反馈半导体激光器Distributed Feedback Laser Diode)做光源,采用谐波检测及锁相放大器检测微弱信号。本论文完成的主要工作是1.阐述了光谱吸收测量气体浓度的基本原理,从理论上分析了谐波检测的原理及实现方法2.确定了乙烯的吸收区间及吸收峰,并选择吸收峰波长1626nm作为吸收点,这是确定光源的前提。3.选择了谱线窄、稳定性好的DFBLD作为系统的光源,并用激光控制器完成对光源的波长调制及温度控制,使光源的发光波长位于1626nm,与气体吸收峰相匹配,提高了光源的稳定性和精确度。4.吸收气室采用长光程吸收(Write池)来增加光程,使气体在Write室内多次反射经过气体,加强了气体的吸收光程,提高了测量的灵敏度。5.设计了测量乙烯浓度的整体系统,并对系统的各个部分和工作过程作了基本介绍。6.采用锁相放大器SR830检测微弱信号,详细介绍了锁相放大器的原理及构造。7.论文初步介绍了Labview软件的特点,在信号处理中用labview虚拟仪器,经图形化编程,对数据进行采集及处理。8.本文还对激光器的性能进行了测试,得出了半导体激光器输出波长与温度的关系,输出波长与驱动电流的关系。9.通过实验得出了乙烯浓度与测量信号的关系。画出实验曲线,推导了计算浓度的函数关系。该系统的优点是灵敏度高,稳定性好,可以在高温、有毒有害等恶劣的环境中应用,并可加以改进测量其它气体的浓度,具有广阔的应用前景及发展空间。

全文目录


中文摘要  10-12
ABSTRACT  12-14
第1章 绪论  14-24
  1.1 引言  14-16
  1.2 气体检测的方法概述  16-17
    1.2.1 传统的气体检测技术  16
    1.2.2 传统气体浓度检测的缺点  16-17
  1.3 光纤传感技术及光纤气体传感器的优点  17-18
  1.4 光纤气体传感器的类型  18-22
  1.5 光谱吸收型气体传感器的研究现状  22
  1.6 课题的意义、目的  22-24
第2章 激光红外光谱吸收法的基本原理及方法研究  24-38
  2.1 引言  24-25
  2.2 光谱吸收法的几种实现方式  25-27
    2.2.1 单波长单光路光谱吸收法  25
    2.2.2 差分光谱吸收法  25-27
  2.3 吸收路径的长度对吸收池灵敏度的影响  27-28
    2.3.1 引言  27
    2.3.2 实现长光程的方法——怀特池的构造及特性  27-28
  2.4 乙烯气体的吸收峰分析  28-31
    2.4.1 分子吸收理论  28-29
    2.4.2 乙烯气体的吸收峰  29-31
  2.5 光纤气体传感器所用光源  31-34
    2.5.1 半导体激光二极管  31-33
    2.5.2 分布反馈式半导体激光器DFB LD(Distributed Feedback Laser Diode)  33-34
  2.6 光电探测器  34-36
    2.6.1 PIN光电二极管  35-36
    2.6.2 雪崩二极管(APD)  36
  2.7 本章总结  36-38
第3章 气体浓度的谐波检测理论  38-47
  3.1 引言  38-39
  3.2 谐波检测理论  39-42
  3.3 一次谐波及二次谐波与调制系数的关系  42-44
  3.4 锁相放大器检测原理(LIA)  44-46
  3.5 本章总结  46-47
第4章 系统设计  47-54
  4.1 引言--整体介绍  47-48
  4.2 硬件部分  48-53
    4.2.1 激光器驱动(温度控制及正弦调制)  48-49
    4.2.2 怀特池  49
    4.2.3 探测器---光敏二极管特性  49-51
    4.2.4 锁相放大器  51-52
    4.2.5 数据采集卡USB2811  52
    4.2.6 波长计  52-53
  4.3 本章总结  53-54
第5章 激光器性能实验  54-60
  5.1 引言  54
  5.2 激光器性能测试  54-59
    5.2.1 激光器输出中心波长及功率与温度的关系  54-56
    5.2.2 激光器输出中心波长与驱动电流的关系  56-59
  5.3 本章总结  59-60
第6章 基于labview的软件设计  60-73
  6.1 关于虚拟仪器及labview软件的介绍  60-64
    6.1.1 关于虚拟仪器的介绍  60-61
    6.1.2 Labview介绍  61-64
  6.2 程序设计流程  64-65
  6.3 浓度标定实验  65-69
    6.3.1 各浓度下的二次谐波曲线  65-66
    6.3.2 数据分析  66-68
    6.3.3 结论  68-69
  6.4 浓度计算程序  69-72
    6.4.1 程序框图  69-70
    6.4.2 前面板  70-71
    6.4.3 测量相对误差  71-72
  6.5 本章总结  72-73
第7章 全文总结  73-75
  7.1 论文主要内容及及创新  73-74
  7.2 不足及展望  74-75
参考文献  75-78
致谢  78-79
攻读硕士学位论文期间发表的论文  79-80
学位论文评阅及答辩情况表  80

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统
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