基于TDLAS技术的小型化乙炔气体检测系统的研制

发布时间：2020-11-08 17:58

　　 乙炔是一种主要应用于金属烧焊领域的易燃易爆气体,对于乙炔的高精度检测具有重要价值。目前用于乙炔气体检测的常规方法有催化燃烧检测法,电化学检测法和气相色谱检测法等,但这几种方法分别存在选择性差、传感器漂移大和预处理时间长等弊端。应用TDLAS技术检测乙炔气体浓度具有选择性高、响应时间短、检测精度高、稳定度强等优势,可以弥补其他检测方法的缺点,本论文即采用TDLAS技术研制了一套乙炔气体检测系统。深入分析了气体分子吸收光谱学,结合激光器的发光特性和光电探测器的工作特点,选取用于乙炔气体浓度检测的红外吸收波长。完成了对TDLAS技术的基础理论—比尔朗伯定律,以及关键技术--波长调制技术和谐波检测技术的原理分析和理论推导,为乙炔气体浓度检测系统的设计提供理论支撑。完成了TDLAS型乙炔气体检测系统的整体设计,包括主控模块、激光器电流驱动模块、激光器温度控制模块、光电信号采集及处理模块以及通信模块等。特别地,本论文充分考虑了气体检测方法中单双光路的优缺点,提出了一种用于TDLAS技术的单光路时分复用背景噪声去除式激光调制方案,该方案可以从直流和交流两方面因素造成的影响去除背景噪声,并简化系统复杂度,缩小系统体积;此外,设计了一种可调节光程气室,控制光程调节杆可以有效改变激光在气室内穿过气体的光程,并且通过多反射的方式增加光程,达到小体积长光程的目的。最后,本论文完成了对所设计的乙炔检测系统的标定,并分别从系统检测误差、检测精度、检测稳定度和检测单一性等多方面进行了实验,实验数据表明,本系统在检测10-1000ppm浓度范围内的乙炔气体时,系统检测精度为10ppm,检测误差随着检测浓度的增大而减小,且系统对于乙炔气体浓度的检测具有良好的稳定性和检测单一性。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ221.242;TH744.4
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 常见乙炔气体浓度检测技术
    1.3 TDLAS可调谐半导体激光吸收光谱技术
    1.4 TDLAS技术检测气体浓度的研究现状
    1.5 本文的主要研究内容
第2章 气体分子红外吸收光谱理论
    2.1 吸收光谱理论
        2.1.1 气体分子能级结构
        2.1.2 气体分子吸收光谱
    2.2 红外吸收光谱谱线展宽和线型函数
        2.2.1 谱线展宽
        2.2.2 谱线函数
    2.3 乙炔气体红外吸收谱线选择
    2.4 本章小结
第3章 基于TDLAS的乙炔气体浓度检测技术研究
    3.1 比尔朗伯定律
    3.2 TDLAS-WMS波长调制光谱技术
    3.3 基于锁相放大器的谐波检测技术
    3.4 本章小结
第4章 TDLAS型乙炔气体检测系统设计
    4.1 系统总体方案设计
    4.2 主控模块
        4.2.1 主控芯片的选择
        4.2.2 主控芯片的外围电路
    4.3 光源模块
        4.3.1 可调谐半导体激光器选型
        4.3.2 激光器温度控制模块
        4.3.3 激光器电流驱动模块
    4.4 气室及光学结构模块
    4.5 光信号接收与预处理模块
    4.6 基于锁相放大器的二次谐波信号提取模块
    4.7 数据采集与处理模块
        4.7.1 数据采集单元
        4.7.2 数据处理
    4.8 通信接口模块
    4.9 软件设计与实现
    4.10 本章小结
第5章 实验测试与结果分析
    5.1 配气
    5.2 乙炔气体浓度检测实验
        5.2.1 检测系统响应
        5.2.2 检测系统标定
        5.2.3 系统检测误差及检测下限
        5.2.4 检测精度及稳定性
        5.2.5 系统检测单一性
    5.3 本章小结
第6章 总结与研究展望
    6.1 总结
    6.2 研究展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

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本文编号：2875132