基于波长调制技术的甲烷光纤传感系统研究

【摘要】：随着社会的进步和科技的发展，气态能源被广泛应用于人们的生产和生活之中，实现敏感地区易燃易爆气体浓度的实时监测，对于保障人们的生命财产安全意义重大。随着分布反馈式（DFB）半导体激光器的研制成熟和光纤通信技术的迅速发展，基于可调谐半导体激光光谱技术（TDLAS）和波长调制光谱学（WMS）的光纤气体传感器逐渐吸引了越来越多科研人员的关注。TDLAS技术是一种高灵敏度的谱线探测技术，具有灵敏度高、抗噪声能力强、精度高、选择性强、易实现远距离测量等特点，广泛应用在气体探测等微弱信号检测领域当中。 本文基于WMS技术作为理论指导，对谐波探测理论进行了详细的分析，通过公式推导以及软件仿真等方式对气体吸收理论、波长调制理论和谐波探测理论进行了分析，并根据理论指导进行了具体的方案设计。通过构建系统建模，仿真信号的波长调制过程和气体吸收过程，并依靠模拟滤波器和相敏检波电路得出1次谐波信号和2次谐波信号的波形，对谐波信号产生的来龙去脉给出了更加深刻的阐释。在硬件实现方面，详细阐述了系统电路的设计过程，给出了全面的甲烷浓度传感系统的电路实现方法，包含了基于运算放大器的半导体激光器驱动电路和信号调制电路，正弦波和三角波等信号发生电路，基于MAX4008的光电探测电路，基于AD734的信号倍频电路，基于LTC1923的半导体激光器TEC温度控制电路，低通滤波和带通滤波电路以及基于AD630的高灵敏度锁相放大电路，并给出了上述设计电路的仿真验证和调试验证的结果。 【关键词】：波长调制 微弱信号检测 锁相放大 激光器驱动电路
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN911.23
【目录】：

• 中文摘要4-5
• ABSTRACT5-6
• 目录6-8
• 第一章 绪论8-12
• 1.1 引言8-9
• 1.2 课题研究的背景和意义9-10
• 1.3 甲烷气体检测研究现状10
• 1.4 本文的主要结构安排10-12
• 第二章 波长调制技术理论分析12-22
• 2.1 甲烷气体吸收带的选择12-14
• 2.2 波长调制光谱学（WMS）14-15
• 2.3 相敏检波技术15-18
• 2.4 谐波探测理论18-21
• 2.5 本章小结21-22
• 第三章 系统级模型仿真22-32
• 3.1 基于 Fourier 变换理论的谐波信号仿真分析22-24
• 3.2 基于 Matlab 的谐波探测系统仿真分析24-32
• 第四章 基于波长调制技术的检测系统电路设计32-60
• 4.1 系统框图32-33
• 4.2 半导体激光器驱动电路设计33-34
• 4.3 光电探测电路34-35
• 4.4 正弦波发生电路35-40
• 4.4.1 RC 桥式正弦波振荡电路35-36
• 4.4.2 加入非线性环节的 RC 桥式正弦波振荡电路36
• 4.4.3 MAX038 信号发生器36-40
• 4.5 三角波发生电路40-45
• 4.5.1 滞回比较器41-42
• 4.5.2 积分电路42-44
• 4.5.3 硬件实现44-45
• 4.6 倍频电路45-47
• 4.7 温度控制电路47-49
• 4.8 带通滤波器49-52
• 4.9 锁相放大器52-57
• 4.9.1 相敏检波电路52-54
• 4.9.2 低通滤波电路54-57
• 4.10 Protel 原理图57-59
• 4.11 本章小结59-60
• 第五章 总结和展望60-62
• 5.1 课题总结60-61
• 5.2 工作展望61-62
• 参考文献62-66
• 发表论文和参加科研情况说明66-67
• 致谢67

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