基于可调谐激光吸收光谱技术的气体检测解调系统研究

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1、电子科技大学UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA硕士学位论文MASTERTHESIS(电子科技大学图标)论文题目基于可调谐激光吸收光谱技术的气体检测解调系统研究学科专业光学工程学号201121050202作者姓名郭慧指导教师袁国慧副教授分类号密级注1UDC学位论文基于可调谐激光吸收光谱技术的气体检测解调系统研究(提名和副题名)郭慧(作者姓名)指导教师袁国慧副教授电子科技大学成都(姓名、职称、单位名称)申请学位级别硕士学科专业光学工程提交论文日期2014.04.

2、28论文答辩日期2014.05.27学位授予单位和日期电子科技大学2014年6月27日答辩委员会主席周晓军评阅人周晓军岳慧敏注1:注明《国际十进分类法UDC》的类号。THERESEARCHONGASDETECTIONDEMODULATIONSYSTEMBASEDONTDLASAMasterThesisSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:OpticalEngineeringAuthor:GuoHuiAdvisor:YuanGuo

3、huiSchool:SchoolofOptoelectronicInformation独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名:日期:年月日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关

4、部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)作者签名:导师签名:日期:年月日摘要摘要当今的环境污染日益严重,大气污染与每个人的健康息息相关。现有的监测手段尚待完善,现有的监测仪器灵敏度尚须加强,检测结果的实时性与精准度亟待加强。因此,设计出一款实时可靠的检测污染气体浓度的仪器对保障人民生命和国家安全财产有着重要的社会意义和经济意义。首先,在现有监

5、测原理和手段的基础上,我们提出了利用TDLAS即可调谐半导体激光吸收光谱技术来检测气体浓度的方案。在对比了几种光谱吸收型光纤气体传感器的监测技术之后,我们选择了波长调制对光源强度进行调制,有效地消除了系统的背景噪声,改善系统的工作品质。为了满足气体的实时准确测量,我们设计了开放气室的气体传感器,它采用双层过滤的一体化设计,准直器由通过自由空间路径对齐的自聚焦镜头组成,同时在开放气室外部设计了粗过滤和细过滤两层光路防污染装置,使整个光路系统抗干扰性更强,监测结果更加精确。同时为了在一个相对安全的环境中对远处的气体进项监测,

6、我们又设计了光学遥测镜头的气体传感模块,该系统集发光与聚光系统于一体。应用该镜头可以实现实时、连续和非接触测量的特点,并且具有大范围、分布监控的能力,容易实现对气体浓度成分的准确测量,使气体的测量更加安全,更稳定,灵敏度更高。其次,通过光电探测器对光信号进行了光电转换,并通过前置放大、带通滤波对电路进行了优化。为了得到与气体浓度相关的信号,我们通过谐波检测手段获取二次谐波信号幅值。谐波检测可以将监测系统的频率搬至高频处,有效地抑制了低频的噪声和外部的干扰,以提高整个系统的检测灵敏度。最后,采用了济南三科DMP609数据采

7、集卡,设计出来的上位机软件具有数据采集、数据图标显示、浓度信息显示、通道选择、历史数据显示以及保存和读取等操作。关键词:TDLAS,传感模块,锁相放大,数据采集IABSTRACTABSTRACTIntoday'sincreasinglyseriousenvironmentalpollution,airpollutioniscloselyrelatedtoeachperson'shealth.Thatiswhyexistingmonitoringmethodsneedtobeimproved,thesensitivityo

8、ftheinstrumentsneedstobeenhanced,andthereal-timeandaccuracyoftestresultsneedtobestrengthened.Therefore,designingareliablereal-timeinstrumenttodetectdensityofth

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1、电子科技大学UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA硕士学位论文MASTERTHESIS(电子科技大学图标)论文题目基于可调谐激光吸收光谱技术的气体检测解调系统研究学科专业光学工程学号201121050202作者姓名郭慧指导教师袁国慧副教授分类号密级注1UDC学位论文基于可调谐激光吸收光谱技术的气体检测解调系统研究(提名和副题名)郭慧(作者姓名)指导教师袁国慧副教授电子科技大学成都(姓名、职称、单位名称)申请学位级别硕士学科专业光学工程提交论文日期2014.04.

2、28论文答辩日期2014.05.27学位授予单位和日期电子科技大学2014年6月27日答辩委员会主席周晓军评阅人周晓军岳慧敏注1:注明《国际十进分类法UDC》的类号。THERESEARCHONGASDETECTIONDEMODULATIONSYSTEMBASEDONTDLASAMasterThesisSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:OpticalEngineeringAuthor:GuoHuiAdvisor:YuanGuo

3、huiSchool:SchoolofOptoelectronicInformation独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名:日期:年月日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关

4、部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)作者签名:导师签名:日期:年月日摘要摘要当今的环境污染日益严重,大气污染与每个人的健康息息相关。现有的监测手段尚待完善,现有的监测仪器灵敏度尚须加强,检测结果的实时性与精准度亟待加强。因此,设计出一款实时可靠的检测污染气体浓度的仪器对保障人民生命和国家安全财产有着重要的社会意义和经济意义。首先,在现有监

5、测原理和手段的基础上,我们提出了利用TDLAS即可调谐半导体激光吸收光谱技术来检测气体浓度的方案。在对比了几种光谱吸收型光纤气体传感器的监测技术之后,我们选择了波长调制对光源强度进行调制,有效地消除了系统的背景噪声,改善系统的工作品质。为了满足气体的实时准确测量,我们设计了开放气室的气体传感器,它采用双层过滤的一体化设计,准直器由通过自由空间路径对齐的自聚焦镜头组成,同时在开放气室外部设计了粗过滤和细过滤两层光路防污染装置,使整个光路系统抗干扰性更强,监测结果更加精确。同时为了在一个相对安全的环境中对远处的气体进项监测,

6、我们又设计了光学遥测镜头的气体传感模块,该系统集发光与聚光系统于一体。应用该镜头可以实现实时、连续和非接触测量的特点,并且具有大范围、分布监控的能力,容易实现对气体浓度成分的准确测量,使气体的测量更加安全,更稳定,灵敏度更高。其次,通过光电探测器对光信号进行了光电转换,并通过前置放大、带通滤波对电路进行了优化。为了得到与气体浓度相关的信号,我们通过谐波检测手段获取二次谐波信号幅值。谐波检测可以将监测系统的频率搬至高频处,有效地抑制了低频的噪声和外部的干扰,以提高整个系统的检测灵敏度。最后,采用了济南三科DMP609数据采

7、集卡,设计出来的上位机软件具有数据采集、数据图标显示、浓度信息显示、通道选择、历史数据显示以及保存和读取等操作。关键词:TDLAS,传感模块,锁相放大,数据采集IABSTRACTABSTRACTIntoday'sincreasinglyseriousenvironmentalpollution,airpollutioniscloselyrelatedtoeachperson'shealth.Thatiswhyexistingmonitoringmethodsneedtobeimproved,thesensitivityo

8、ftheinstrumentsneedstobeenhanced,andthereal-timeandaccuracyoftestresultsneedtobestrengthened.Therefore,designingareliablereal-timeinstrumenttodetectdensityofth

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