tdlas的高精度多环路pid数字温控系统

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1、万方数据山东大学硕士学位论文第一章绪论1．1课题研究的背景、目的及意义1．1．1课题研究背景目前，环保成为人们的共识，天然气作为一种绿色能源，在经济性、方便性、清洁性以及应用场合的广泛性上有显著的优势，在可预见的未来其需求将日益增长，将会逐步代替煤炭等非清洁能源，使用量上同时也将会得到极大的提高。根据《天然气发展“十二五”规划》，我国天然气使用量将在十二五期间增加113％，达到1782亿立方米⋯。然而天然气又是一种危险的气体，其主要成分是甲烷(CH4)，俗称瓦斯。它是一种可燃气体，无色无味，空气中的瓦斯含量在5％．15％之间时遇到明火极易发生爆炸，这也是我国煤矿瓦斯爆炸事故频发的原因

2、之一[21。甲烷在空气中含量大约是1．7ppmv(panspermillioninvolume)，是造成温室效应的主要气体之一【3]，并且甲烷对温室效应的作用是等量的二氧化碳的22倍【41。另外现阶段我国天然气行业继续扩张，包括交通运输、城市燃气、工业用气和天然气发电等等，城市天然气消费量将会增长迅速。所有这些均导致了城市天然气泄漏，安全隐患增加的问题【5]。现在城市天然气管道的泄漏检测主要采取人工利用燃气管网检漏仪沿路面进行管道巡检，这种方式称为人工巡检【61。然而，检测员采取这种检测方式需要庞大的工作量，巡检效率低下，而且无法及时检测到燃气泄漏。所以，城市天然气巡检亟需一种高效、

3、快速的检测方式。将TDLAS技术应用于车载甲烷检测仪，结合了激光检测技术快速性和汽车机动性的优点，从而达到了快速精确确定燃气泄漏区域的目的，提高了巡检效率也节省了人力。可调谐二极管激光吸收光谱技术[7](TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy，简称TDLAS)结合了正弦波波长调制光耦技术和谐波检测技术，使检测限度达到ppm级。在气体检测方面，TDLAS技术具有明显的优势：万方数据山东大学硕士学位论文1．气体检测灵敏度高，利用可调谐的二极管激光器容易控制激光信号到气体吸收的中心峰频率上，利用此技术TDLAS技术实现了ppm级别的高精度检测。2．激

4、光线宽非常窄因此特定的选择性强，并且不同分子的吸收峰频率有较大不同，利用气体分子的选择吸收特性，更容易在城市天然气开放式检测的非常复杂的气体环境中选择特定的气体来进行高精度、快速、无干扰的检测【s】。3．激光调谐具有快速和准确的特性，因此会有相对较短的响应时间，可利用多通道的方式实现多组分气体的同时测量。4．激光功率高、准直性好，可以进行远距离的测量并且可以实现非接触测量，对检测环境没有太多要求，可以较方便的安装在各种恶劣的环境下，并且不破换测试对象的原有环境。5．可以较方便的实现在线、实时测量，为信息化提供了必要的条件。1．1．2课题研究目的及意义可调谐二极管激光吸收光谱技术(TD

5、LAS技术)主要是利用激光器的可调谐的性质，获得被测气体的气体特征吸收光谱的谱线，从而对相关气体进行定量或者定性分析阳1。其主要原理是利用波长调制技术驱动激光器使其发出特定频率的激光，激光通过气体之后被反光板反射回来通过光电二极管接收，通过检测激光在气体的中心峰处的吸收状况，利用谐波检测技术和谐波分析来定量的分析被测气体的浓度。在工程应用的检测中，一般会对二极管激光器采用例如频率调制和波长调制技术、并且结合相关的气体光路结构来实现对气体的高精度检测的目的。在此项技术中，使用的是DFB激光器，它的带宽很窄，有效光功率很高，因此在提高系统的检测限方面具有极大的优势。但是缺点是DFB激光器

6、比较容易受到外界温度、噪声等的影响，会使输出激光的频率产生偏移，不能精确锁定在我们需要的频率处。在TDLAS的实际应用中，先粗略设定一个温度值，然后确定大概在此温度下的电流值以及调制幅度，由此确定激光器的驱动电流，然后以此电流为依据重新确定温度值，从而保证了温度值一定，激光器的驱动电流一定，使激光器发出的激光精确的定位到万方数据山东大学硕士学位论文响应的波长。但是在实际应用中，由于气体的吸收谱线很窄，谱带范围内的吸收系数相差很大，频率的微小变化会导致吸收系数产生巨大的差异。所以在电流不变的情况下，一定要保证温度的精确性和稳定性。因此，如何设计TDLAS系统的温控系统以使其在毫度级别精

7、确并且稳定，是保证TDLAS系统检测精确性和准确性的一个重要因素。1．2国内外发展现状1．2．1TDLAS技术产品及其温度控制发展现状TDLAS技术国外较早的开始了研究，早在20世纪60年代时候便出现了应用调节驱动电流来调制激光二极管使其出射光在某一特定频率的技术㈨，到了20世纪70年代Hinkley和Reid提出了可调谐激光光谱技术⋯3，随后的四十年间，TDLAS技术逐渐发展并且逐渐受到人们的重视，开始渐渐应用到污染气体监测、大气环境监测以及特定气体监测