【摘要】：近年來,化工、建筑等行業(yè)以破竹之勢迅猛發(fā)展,他們帶來了巨大經(jīng)濟效益的同時也帶來了大量的污染物,這些污染物質(zhì)在大氣中嚴重威脅了我們的身心健康,密閉氣室內(nèi)一些氣體濃度超標嚴重還可能引發(fā)爆炸等危險行為,因此實時準確的檢測這些氣體的濃度具有極其重要的意義。TDLAS氣體檢測系統(tǒng)因其具有響應速度快、精度高、受外界影響小等優(yōu)點受到了人們極大地青睞。針對甲烷氣體檢測的問題,基于TDLAS光學理論設計并實現(xiàn)了TDLAS檢測系統(tǒng)的前端驅(qū)動部分。對傳統(tǒng)的檢測方法與TDLAS檢測方法的優(yōu)缺點進行對比分析,闡述了TDLAS檢測系統(tǒng)應用的基本理論知識,詳細介紹了前端驅(qū)動系統(tǒng)的軟硬件設計部分,主要包括激光器恒流源驅(qū)動、激光器溫度控制、恒流源驅(qū)動板和溫控板PCB制作。驅(qū)動信號主要包括直流偏置信號、低頻鋸齒掃描信號、高頻正弦調(diào)制信號等。該直流偏置值對應于甲烷氣體主吸收峰的波長,低頻鋸齒描信號的作用是圍繞甲烷氣體吸收峰進行低頻掃描,高頻正弦調(diào)制波的作用是將低頻信號和直流偏置信號進行載波,提高系統(tǒng)的抗干擾能力和信噪比。為了避免高頻噪聲干擾,設計采用LTC1064構成四階濾波系統(tǒng),采用負反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)定輸出電流,從而實現(xiàn)激光器的恒流源驅(qū)動。設計了激光器高精度溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于激光器發(fā)出的波長是驅(qū)動電流和溫度的二元函數(shù),為了實現(xiàn)對激光器發(fā)出波長快速、準確和穩(wěn)定的控制,首先對抗積分飽和PID算法和神經(jīng)網(wǎng)絡PID算法進行仿真試驗,并最終完成抗積分飽和PID算法的實際控制,實驗結(jié)果表明,溫度控制精度達到了±0.008℃,實現(xiàn)了激光器對高精度溫度控制的要求。經(jīng)驗證,激光器可以發(fā)出對應甲烷氣體吸收峰1653.72nm波長的激光,并且可以圍繞中心波長進行低頻掃描,波長控制準確穩(wěn)定。
【圖文】：

氣體吸收光子能量之后形成了氣體的吸收光譜，分子的能量主要由三部分構成具體公式如下：e v JE E E E（2-2）其中： —電子能量； —振動能量； —轉(zhuǎn)動能量；分子運動和狀態(tài)受這三種能量的影響，一般多原子的分子結(jié)構較為復雜，擁有更多的能級和光譜。2.2 HITRAN 吸收光譜在應用 TDLAS 原理進行氣體檢測時，通常都是以待測氣體一條譜線展開的，其中心頻率固定，但是，在 HITRAN 數(shù)據(jù)庫中，甲烷氣體吸收譜線有上萬條，想要提高檢測的精度，需要對這些譜線逐一分析和比較，從這些甲烷吸收譜線中，找出一條吸收強并且與其他氣體吸收譜線沒有交集的譜線作為激光器氣體檢測譜線。目前，國際上有很多光譜數(shù)據(jù)庫，包括 HITRAN、PNNL 和 NIST 等，其中 HITRAN 是發(fā)展最早，也是目前應用最為廣泛的數(shù)據(jù)庫，參數(shù)比較全面詳細，因此選用美國 HITRAN 對甲烷氣體吸收譜線進行檢索，，參數(shù)設置如圖 2.2 所示：

因此本次設計選定中心波長 1653.72nm 作為實驗檢測波長。圖 2.3 甲烷氣體吸收譜線圖2.3 吸收線型用來描述激光與待測氣體間相互作用的譜線變化規(guī)律的函數(shù)叫做吸收線型函數(shù) ( 0)，線型函數(shù)與溫度、氣壓以及分子內(nèi)部構成有直接關系，氣體吸收譜線因受到展寬效應的影響發(fā)生一定的展寬。氣體吸收譜線的展寬一般分為以下三種：1 高于 1atm 為高壓，碰撞展寬占據(jù)主導地位，一般用洛倫茲線型（Lorentz）描述；2 低于 0.008atm 為低壓，多普勒（Doppler）展寬占據(jù)主導地位，一般用高斯線型（Gauss）描述[18]；3 當壓力介于 0.008atm 和 1 atm 之間時，碰撞展寬和 Doppler 展寬都無法準確的描述該函數(shù)，此時，我們通常用二者的卷積來描述并稱之為 Voigt 線型。在函數(shù)中有一個參數(shù)為半高半峰寬（Halfwidthathalfitsmaximumvalue，HWHM）
【學位授予單位】：東北石油大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN248

【參考文獻】

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本文編號：2630994