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痕量气体浓度的快速监测技术研究

作　者: 崔铮
导　师: 鲁建业
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 物理电子学
关键词: 碘激光痕量气体红外气体浓度检测热释电探测器
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

碘激光器以其良好的应用前景受到了世界各国的广泛关注。目前，国内外正在进行的光解或电激励烷基碘化物研究已经初步证明，这种激光器将克服传统碘激光器的体积巨大、能量转换效率低、不易实现较高重频等缺点。但这种激光器在运行过程中会由于烷基复合而导致介质损耗严重，从而影响激光器出光的稳定性。因此，对激光器运行过程中，烷基及其复合物浓度变化监测，以及其对输出光强的影响是对碘激光器研究的必要工作。为此，本论文对碘激光运行过程中碘化物及其反应产物浓度的快速监测做了初步研究，即探索研究可以满足对痕量气体的快速高精度监测的方法及关键技术。作为痕量气体浓度的快速监测初步研究，本文选用二氧化碳气体作为浓度快速监测的对象，根据红外辐射及红外气体浓度检测原理，设计了一种红外二氧化碳浓度快速监测系统。选用集成12位ADC的单片机STM32进行数据采集，及串口通信，并将采集数据送入上位机中进行后续处理。在对系统的设计中，在硬件方面，对红外光源、气体浓度传感器、温度传感器的比较，选择了白炽灯、热释电探测器、热敏电阻作为系统主要元件，将其与气室作为整体进行了一体化设计，对光源调制电路、浓度测量电路、温度测量电路、STM32单片机最小系统电路、数模转换电路、串口通信电路、电源模块电路进行了详细的设计，并提出了PCB板印制的可靠性措施；在软件方面，通过对光源调制、数据采集、串口通信的编程设计，实现对光源的1Hz正弦调制、对探测器输出信号的100Hz数据采集及向上位机进行数据传输等功能。最后，对本系统在实验室条件下进行标定。经过实验室条件下的运行调试，本系统表现出了良好的性能，硬件方面电路工作稳定，软件方面可以对数据进行准确采集，系统能够稳定地运行。系统的灵敏度为200ppm。通过对二氧化碳浓度的成功监测，浓度变化快速监测系统被证明可以实现对碘激光运行过程中碘化物及其反应产物浓度变化的快速监测，所需要做的工作只是更换热释电探测器以及相应的标定和调试工作。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-17
  1.1 课题的研究背景及意义  10-11
  1.2 国内外气体检测技术方面的研究进展  11-15
    1.2.1 方法概述  11-14
    1.2.2 国内外气体检测技术方面的研究进展  14-15
  1.3 本论文研究的主要内容  15-17
    1.3.1 主要内容  15-16
    1.3.2 章节安排  16-17
第2章红外辐射及红外气体浓度检测原理  17-33
  2.1 红外辐射光谱及红外辐射基本理论  17-20
    2.1.1 红外辐射光谱  17
    2.1.2 红外辐射基本理论  17-20
  2.2 红外探测理论  20-26
    2.2.1 热释电效应  20-21
    2.2.2 噪声理论  21-26
  2.3 气体成分检测原理  26-28
    2.3.1 红外式气体成分检测基本原理  26
    2.3.2 气体浓度检测理论公式推导  26-28
  2.4 一种微弱衰减信号的探测方案  28-32
  2.5 本章小结  32-33
第3章气体浓度红外监测系统的设计  33-53
  3.1 总体设计  33-34
  3.2 光学测量部分的设计  34-40
    3.2.1 红外光源的选择  34-37
    3.2.2 气体传感器的选择  37-39
    3.2.3 气室的设计  39-40
  3.3 模拟信号处理部分设计  40-46
    3.3.1 光源调制电路的设计  41-42
    3.3.2 浓度测量电路的设计  42-44
    3.3.3 温度测量电路的设计  44-46
  3.4 单片机应用部分  46-51
    3.4.1 STM32 单片机  46-49
    3.4.2 数模转换电路设计  49-50
    3.4.3 串口通信电路设计  50-51
  3.5 电源模块的设计  51
  3.6 PCB 板印制可靠性措施  51-52
  3.7 本章小结  52-53
第4章系统测试及标定  53-61
  4.1 输出信号波形测试  53-54
    4.1.1 红外光源调制信号测试  53
    4.1.2 传感器输出信号测试  53-54
  4.2 数据采集稳定性测试  54-57
  4.3 系统的静态标定  57-60
    4.3.1 待测气体浓度配置  57
    4.3.2 系统的静态标定  57-59
    4.3.3 系统的静态特性分析  59-60
  4.4 本章小结  60-61
结论  61-62
参考文献  62-67
攻读学位期间发表的学术论文及其它成果  67-69
致谢  69

痕量气体浓度的快速监测技术研究

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