基于TDLAS的甲烷气体监测系统的设计

【摘要】：随着环境的不断恶化，人类已经逐步意识到保护环境的重要性和必要性。甲烷作为继二氧化碳之后对地球温室效应具有重大影响的气体，虽然在空气中的含量远低于CO2的含量，但温室效应有26%是由于甲烷引起的，等量的甲烷对温室效应的作用是CO2的22倍。因此，实现甲烷气体浓度的实时在线测量对保护环境具有重要的意义。 可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）由于具有高分辨率、高灵敏度和良好选择性等特点，使之成为痕量气体快速、在线分析的有效方法之一，尤以其中的波长调制技术在大气化学研究和污染气体监测领域中得到了实际应用。本系统的主要研究内容如下： （1）分析了TDLAS技术的优势以及其应用于甲烷气体监测系统中的可行性。 （2）讨论了分子吸收光谱学的基本原理和TDLAS技术具体的实现方法，并着重阐述了波长调制技术与二次谐波检测技术的工作原理。 （3）介绍了甲烷气体监测系统的构成，包括器件选择和对相关模块进行电路设计，如扫描电路与调制电路、光电检测电路、锁相放大电路、信号采集电路等。 （4）介绍系统的总体软件设计，分析系统的噪声来源，讨论了浓度反演方 法和滤波算法的实现。 【关键词】：可调谐二极管激光吸收光谱技术 波长调制技术 二次谐波检测技术
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP274
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-17
• 1.1 痕量气体检测中的光谱学技术14-15
• 1.2 可调谐半导体激光吸收光谱技术15
• 1.3 论文的主要研究内容15-17
• 第二章 TDLAS 系统监测原理17-28
• 2.1 甲烷气体的分子吸收光谱17-23
• 2.1.1 分子结构与分子吸收光谱17-19
• 2.1.2 吸收光谱的线强和线型19-21
• 2.1.3 甲烷气体的吸收线21-23
• 2.2 可调谐二极管激光吸收光谱技术原理23-26
• 2.2.1 直接吸收光谱技术23-24
• 2.2.2 波长调制-二次谐波检测技术24-26
• 2.3 本章小结26-28
• 第三章 甲烷气体监测系统的设计28-56
• 3.1 系统的总体设计28
• 3.2 光源及光源驱动28-31
• 3.2.1 光源的选择29-30
• 3.2.2 激光驱动器30-31
• 3.3 调制信号源31-40
• 3.3.1 锯齿波扫描电路32-35
• 3.3.2 正弦波调制电路35-40
• 3.4 气室单元40-42
• 3.5 光电转换电路42-45
• 3.5.1 光电探测器42-43
• 3.5.2 前置放大及带通滤波电路43-45
• 3.6 二次谐波信号的提取45-53
• 3.6.1 锁相放大器的原理46-48
• 3.6.2 锁相放大电路的设计48-50
• 3.6.3 二倍频信号的产生电路50-53
• 3.7 信号采集电路53-55
• 3.8 本章小结55-56
• 第四章 数据处理与浓度反演56-63
• 4.1 系统软件设计56-57
• 4.1.1 系统的总体软件设计56
• 4.1.2 数据处理软件的设计56-57
• 4.2 系统噪声分析57-60
• 4.2.1 系统的噪声源57-58
• 4.2.2 背景扣除58-60
• 4.3 浓度反演与改进60-62
• 4.3.1 浓度反演算法60-61
• 4.3.2 平均滤波算法61-62
• 4.4 本章小结62-63
• 第五章 结束语63-64
• 参考文献64-67
• 攻读硕士学位期间发表的论文67-68

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