采用ARM技术的TDLAS型甲烷气体检测系统的研制

【摘要】：工业生产和环境监测等领域对于高精度、高灵敏度的甲烷气体检测系统的需求都是十分迫切的。而可调谐激光二极管吸收光谱技术对于相较于传统气体检测技术，具有高选择性、高灵敏度、极快的检测速度等优点，目前已成为各国在气体检测方面的主要研究方向。 深入分析了应用可调谐激光二极管吸收光谱技术进行气体检测的理论依据，对波长调制技术和谐波检测技术进行了理论分析，在理论基础上确定了TDLAS型甲烷气体检测系统的研制方案。 在甲烷吸收光谱特性的基础上，结合可调谐激光二极管吸收光谱技术，完成了TDLAS型甲烷气体检测系统的整体设计。设计了激光二极管驱动电路、气室及光路、光电探测器前置放大电路等。利用ARM优异的控制性和快速的数据处理能力完成系统的整体控制和数据处理等功能。 充分考虑了各种数据处理算法的优缺点，设计了一种结合滑动平均值法和防脉冲平均值法的复合算法，提出了一种新的检测方法，进一步提高了系统的检测准确性。 在实验数据的支持下，分析了系统的检测灵敏度和检测精度，并对影响系统性能的各种因素做了详细分析。 【关键词】：TDLAS ARM 甲烷 检测
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP274
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 气体检测方法介绍10-12
• 1.3 可调谐半导体激光吸收光谱技术12-13
• 1.4 国内外研究现状和发展趋势13-14
• 1.5 论文主要研究内容14-15
• 第2章 TDLAS 气体浓度检测理论15-23
• 2.1 引言15
• 2.2 气体分子光谱理论15-16
• 2.3 光谱的线性函数和谱线加宽16-18
• 2.4 比尔-朗伯定律18-19
• 2.5 谐波检测技术19-20
• 2.6 波长调制技术20-22
• 2.7 甲烷吸收谱线的选择22
• 2.8 本章小结22-23
• 第3章 TDLAS 型甲烷气体检测系统硬件设计23-51
• 3.1 引言23
• 3.2 系统总体设计23-25
• 3.3 可调谐激光二极管的选择25-27
• 3.3.1 可调谐激光器的种类25-26
• 3.3.2 可调谐激光器的选型26-27
• 3.4 激光驱动电路设计27-34
• 3.4.1 梯形波发生电路28
• 3.4.2 正弦波发生电路28-31
• 3.4.3 信号叠加电路31-32
• 3.4.4 压控恒流源电路32-34
• 3.5 气室及光路设计34-35
• 3.6 光电探测器的选择及其前置放大电路的设计35-38
• 3.6.1 光电探测器的选择35-36
• 3.6.2 探测器前置放大电路36-38
• 3.7 锁相放大器38-40
• 3.7.1 锁相放大器的原理38-39
• 3.7.2 锁相放大器的选型39-40
• 3.8 数据采集电路40
• 3.9 主控及信号处理终端40-50
• 3.9.1 微处理器的选择40-44
• 3.9.2 电源电路44-45
• 3.9.3 复位电路45-46
• 3.9.4 时钟电路46
• 3.9.5 数据存储模块46-47
• 3.9.6 LCD 液晶显示模块47
• 3.9.7 键盘输入模块47-48
• 3.9.8 通信接口模块48-49
• 3.9.9 报警电路49-50
• 3.10 本章小结50-51
• 第4章 TDLAS 型甲烷气体检测系统的软件设计51-63
• 4.1 引言51
• 4.2 系统主程序51-53
• 4.3 各功能模块子程序53-57
• 4.3.1 键盘读取子程序53-54
• 4.3.2 功能设置子程序54-55
• 4.3.3 数据采集子程序55-56
• 4.3.4 信号处理子程序56-57
• 4.4 时分复用差分调制检测方法57-58
• 4.5 数据处理算法的研究58-62
• 4.5.1 常用数据处理算法介绍59-61
• 4.5.2 本系统的数据处理算法设计61-62
• 4.6 本章小结62-63
• 第5章 实验结果及分析63-71
• 5.1 引言63
• 5.2 系统总体测试63-66
• 5.2.1 激光驱动电路测试63-64
• 5.2.2 检测信号测试64-66
• 5.3 甲烷检测实验结果分析66-70
• 5.4 本章小结70-71
• 第6章 结论与展望71-73
• 6.1 结论71-72
• 6.2 研究展望72-73
• 参考文献73-79
• 在学期间学术成果情况79-80
• 指导教师及作者简介80-81
• 致谢81

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