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近红外光纤甲烷气体检测系统方案设计与实现

作　者: 石建中
导　师: 曹家年
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 甲烷 光谱吸收 一次谐波 微弱信号检测 光纤传感器
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 215次
引　用: 2次
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内容摘要


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。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
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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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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