近红外光纤甲烷气体检测系统方案设计与实现

【摘要】： 甲烷气体检测是工业生产、环境监测和科学研究领域中的一个重要研究课题。甲烷是一种易燃易爆气体,对甲烷气体进行快速、实时的监测对工矿安全生产及环境保护有着重要的意义。随着光纤通信技术的发展,凭借传统传感器不可比拟的优势,使得光纤气体传感器得到越来越广泛的关注。 可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)谐波检测技术是在激光器与调制技术相结合的基础上发展起来的一种新型高灵敏检测方法,在气体检测领域得到了广泛的应用。与常规的检测方法相比,具有选择性好、灵敏度高、响应速度快、抗噪声干扰、非接触测量、无需对气体预处理等优点。 本文在TDLAS的基础上,对近红外波段的甲烷气体吸收谱线进行检测,采用三角波扫描和正弦波调制相结合的技术调制垂直腔面发射激光器,对经气体吸收后的一次、二次谐波信号成分进行数学模型分析,提出了两种解决方案。文中对光路和电路进行了详细的分析和讨论,设计了信号发生电路、激光器驱动电路、5×10cm光程吸收气室、微弱信号检测处理电路、A/D和D/A转换及其调理电路。利用平衡调制解调器AD630作为锁相放大器,提取一次、二次谐波信号幅度。以C8051F020单片机为核心,进行数据处理与浓度输出显示,实现对0-5000ppm不同浓度甲烷气体的测量。文章最后进行了系统的标定和性能测试,在该检测系统中,一次谐波信号幅度明显优于二次谐波信号幅度,最终选择一次谐波信号幅度作为系统检测方案,分析了系统影响因素并提出改进措施。 测试结果表明一次谐波信号幅度与浓度存在着很好的线性关系,验证了设计方案的可行性。系统工作稳定,调试简便,简化了结构,通过比值处理技术,消除了光源波动的影响,分辨率和精度可达20ppm、100ppm。 【关键词】：甲烷 光谱吸收 一次谐波 微弱信号检测 光纤传感器
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TP274
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 引言11
• 1.2 课题研究的目的和意义11-12
• 1.3 光纤气体传感器概述12-15
• 1.3.1 光纤气体传感器的分类13-14
• 1.3.2 吸收型光纤气体传感器的发展现状14-15
• 1.4 本文的主要工作和结构安排15-17
• 第2章 吸收型光纤气体传感器原理与检测技术17-33
• 2.1 气体分子选择吸收理论17-18
• 2.2 甲烷气体吸收谱线的确定18-22
• 2.2.1 甲烷气体分子典型吸收线18-20
• 2.2.2 甲烷气体分子吸收线的选择20-22
• 2.3 Lambert-Beer定律22-23
• 2.4 微弱信号检测技术23-26
• 2.4.1 滤波技术23-24
• 2.4.2 相关检测24-26
• 2.4.3 低噪声放大26
• 2.5 谐波检测技术26-30
• 2.5.1 窄带光源谐波检测27-30
• 2.5.2 与其他吸收型检测方法的比较30
• 2.6 调制技术30-32
• 2.7 本章小结32-33
• 第3章 光纤气体传感器系统设计33-51
• 3.1 检测系统整体框图33-34
• 3.2 气室结构设计34-35
• 3.3 激光器的选择与驱动设计35-38
• 3.3.1 激光器的选择35-37
• 3.3.2 激光器的驱动37-38
• 3.4 信号发生电路38-41
• 3.5 光电检测器的选择41-43
• 3.6 滤波电路43-46
• 3.6.1 带通滤波电路43-45
• 3.6.2 低通滤波电路45-46
• 3.7 锁相放大电路46-47
• 3.8 倍频电路47-49
• 3.9 硬件抗干扰措施49-50
• 3.10 本章小结50-51
• 第4章 数据处理系统及软件设计51-64
• 4.1 数据处理系统总体结构51-52
• 4.2 C8051F020数据处理系统52-59
• 4.2.1 供电电路52-53
• 4.2.2 晶振及复位电路53-55
• 4.2.3 A/D转换及其调理电路55-58
• 4.2.4 D/A转换及其调理电路58
• 4.2.5 液晶显示58-59
• 4.3 软件处理流程59-62
• 4.4 软件抗干扰措施62-63
• 4.5 本章小结63-64
• 第5章 检测系统实验研究与结果分析64-73
• 5.1 甲烷气体吸收实验64-66
• 5.2 检测系统的标定66-70
• 5.3 系统性能分析70-71
• 5.3.1 系统灵敏度70
• 5.3.2 系统分辨率70-71
• 5.3.3 系统稳定性71
• 5.4 系统影响因素分析71-72
• 5.5 本章小结72-73
• 结论73-75
• 参考文献75-79
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果79-80
• 致谢80-81
• 附录 光纤甲烷气体检测系统样机图81

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