近紅外光纖甲烷氣體檢測系統(tǒng)方案設(shè)計與實現(xiàn)

【摘要】： 甲烷氣體檢測是工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測和科學(xué)研究領(lǐng)域中的一個重要研究課題。甲烷是一種易燃易爆氣體,對甲烷氣體進行快速、實時的監(jiān)測對工礦安全生產(chǎn)及環(huán)境保護有著重要的意義。隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展,憑借傳統(tǒng)傳感器不可比擬的優(yōu)勢,使得光纖氣體傳感器得到越來越廣泛的關(guān)注。 可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)諧波檢測技術(shù)是在激光器與調(diào)制技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型高靈敏檢測方法,在氣體檢測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與常規(guī)的檢測方法相比,具有選擇性好、靈敏度高、響應(yīng)速度快、抗噪聲干擾、非接觸測量、無需對氣體預(yù)處理等優(yōu)點。 本文在TDLAS的基礎(chǔ)上,對近紅外波段的甲烷氣體吸收譜線進行檢測,采用三角波掃描和正弦波調(diào)制相結(jié)合的技術(shù)調(diào)制垂直腔面發(fā)射激光器,對經(jīng)氣體吸收后的一次、二次諧波信號成分進行數(shù)學(xué)模型分析,提出了兩種解決方案。文中對光路和電路進行了詳細的分析和討論,設(shè)計了信號發(fā)生電路、激光器驅(qū)動電路、5×10cm光程吸收氣室、微弱信號檢測處理電路、A/D和D/A轉(zhuǎn)換及其調(diào)理電路。利用平衡調(diào)制解調(diào)器AD630作為鎖相放大器,提取一次、二次諧波信號幅度。以C8051F020單片機為核心,進行數(shù)據(jù)處理與濃度輸出顯示,實現(xiàn)對0-5000ppm不同濃度甲烷氣體的測量。文章最后進行了系統(tǒng)的標定和性能測試,在該檢測系統(tǒng)中,一次諧波信號幅度明顯優(yōu)于二次諧波信號幅度,最終選擇一次諧波信號幅度作為系統(tǒng)檢測方案,分析了系統(tǒng)影響因素并提出改進措施。 測試結(jié)果表明一次諧波信號幅度與濃度存在著很好的線性關(guān)系,驗證了設(shè)計方案的可行性。系統(tǒng)工作穩(wěn)定,調(diào)試簡便,簡化了結(jié)構(gòu),通過比值處理技術(shù),消除了光源波動的影響,分辨率和精度可達20ppm、100ppm。 【關(guān)鍵詞】：甲烷 光譜吸收 一次諧波 微弱信號檢測 光纖傳感器
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：TP274
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 緒論11-17
• 1.1 引言11
• 1.2 課題研究的目的和意義11-12
• 1.3 光纖氣體傳感器概述12-15
• 1.3.1 光纖氣體傳感器的分類13-14
• 1.3.2 吸收型光纖氣體傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀14-15
• 1.4 本文的主要工作和結(jié)構(gòu)安排15-17
• 第2章 吸收型光纖氣體傳感器原理與檢測技術(shù)17-33
• 2.1 氣體分子選擇吸收理論17-18
• 2.2 甲烷氣體吸收譜線的確定18-22
• 2.2.1 甲烷氣體分子典型吸收線18-20
• 2.2.2 甲烷氣體分子吸收線的選擇20-22
• 2.3 Lambert-Beer定律22-23
• 2.4 微弱信號檢測技術(shù)23-26
• 2.4.1 濾波技術(shù)23-24
• 2.4.2 相關(guān)檢測24-26
• 2.4.3 低噪聲放大26
• 2.5 諧波檢測技術(shù)26-30
• 2.5.1 窄帶光源諧波檢測27-30
• 2.5.2 與其他吸收型檢測方法的比較30
• 2.6 調(diào)制技術(shù)30-32
• 2.7 本章小結(jié)32-33
• 第3章 光纖氣體傳感器系統(tǒng)設(shè)計33-51
• 3.1 檢測系統(tǒng)整體框圖33-34
• 3.2 氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計34-35
• 3.3 激光器的選擇與驅(qū)動設(shè)計35-38
• 3.3.1 激光器的選擇35-37
• 3.3.2 激光器的驅(qū)動37-38
• 3.4 信號發(fā)生電路38-41
• 3.5 光電檢測器的選擇41-43
• 3.6 濾波電路43-46
• 3.6.1 帶通濾波電路43-45
• 3.6.2 低通濾波電路45-46
• 3.7 鎖相放大電路46-47
• 3.8 倍頻電路47-49
• 3.9 硬件抗干擾措施49-50
• 3.10 本章小結(jié)50-51
• 第4章 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及軟件設(shè)計51-64
• 4.1 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)51-52
• 4.2 C8051F020數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)52-59
• 4.2.1 供電電路52-53
• 4.2.2 晶振及復(fù)位電路53-55
• 4.2.3 A/D轉(zhuǎn)換及其調(diào)理電路55-58
• 4.2.4 D/A轉(zhuǎn)換及其調(diào)理電路58
• 4.2.5 液晶顯示58-59
• 4.3 軟件處理流程59-62
• 4.4 軟件抗干擾措施62-63
• 4.5 本章小結(jié)63-64
• 第5章 檢測系統(tǒng)實驗研究與結(jié)果分析64-73
• 5.1 甲烷氣體吸收實驗64-66
• 5.2 檢測系統(tǒng)的標定66-70
• 5.3 系統(tǒng)性能分析70-71
• 5.3.1 系統(tǒng)靈敏度70
• 5.3.2 系統(tǒng)分辨率70-71
• 5.3.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性71
• 5.4 系統(tǒng)影響因素分析71-72
• 5.5 本章小結(jié)72-73
• 結(jié)論73-75
• 參考文獻75-79
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文和取得的科研成果79-80
• 致謝80-81
• 附錄 光纖甲烷氣體檢測系統(tǒng)樣機圖81

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光譜吸收光纖氣體傳感技術(shù)探討    鄧廣福;劉光達;田磊;孟磊;朱平;

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