基于软件锁相的tdlas光纤混合式气体传感关键技术研究

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1、猜矣火爹＊ＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ中国第－所现代大学ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５博±学位论文■ＩＩＩＩＩＩＭｈ川ＩＩ圓－级学科光学工程：学科专业；光学工程作者姓名；抗霞指导教师：姚晓天教授刘現副教授天津大学硏究生院２０１５年５月基于软件锁相的TDLAS光纤混合式气体传感关键技术研究ResearchonMixingFiberGasSensingKeyTechniquesbasedonTunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopyofSoftwareLock-

2、InDemodulationTechnique一级学科：光学工程学科专业：光学工程作者姓名：孟云霞指导教师：姚晓天教授刘琨副教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一五年五月独创性声明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巧工作和取得的研究成果，除了文中特别加Ｗ标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研巧成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料一。与我同工作的同志对本研巧所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：＾签字日期：必＆年至月日学位论文

3、版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可Ｕ将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检。索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编Ｗ供查阅和借阅同意学校向国家有关部口或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密盾适用本授权说明）学位论文作者签名；堇《霞导师签名：棘作Ａ签字日期：如化年Ｊ月乃日签字日期：广年月日摘要近年来，随着科技的进步及经济的快速发展，环境污染问题成为人们日益关注的话题。气体污染作为环境污染的一个重要方面，对工业生产安全及人类的身体健康均构

4、成严重危害。光谱吸收技术的调谐二极管激光吸收光谱（TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy,TDLAS)技术与波长调制/谐波检测技术相结合，以其响应时间短、探测灵敏度高、高稳定性等诸多优点，被广泛应用于有毒有害气体浓度检测。本文基于TDLAS技术，提出软件锁相方法代替硬件锁相，并对软件锁相方法中涉及的数学模型及算法进行理论和实验研究。对系统进行仪器化设计，能够对CO、CO2和CH4气体浓度、温度和压强进行同时检测，实现了气体传感系统的多气体、多参量混合传感。本文的主要创新性工作如下：1、基于TDLAS气体浓度检测理论，本

5、文提出了软件锁相的TDLAS气体浓度检测系统理论模型，理论分析了调制深度、调制频率、相移和系统噪声对软件锁相得到的二次谐波幅值的影响，通过仿真和理论推导得到了软件锁相系统最优调制参数理论值。2、基于针对非平稳非线性信号进行时域分解的经验模态分解(EMD)理论，本文提出了一种EMD-FCR算法用于系统信号去噪，以提高系统检测精度。将本算法与其他常用滤波算法进行了比较，结果表明，本算法大大提高了解调信号的信噪比，将系统的检测下限从原来的18ppm降低到2ppm，降低近一个数量级。3、针对气体吸收线存在部分重叠的现象，本文构建了重叠光谱拟合的数学模型，提出了一种重

6、叠光谱分离算法，用于分离CO和CO2的重叠光谱，实现了单个DFB激光器电流调谐下的CO和CO2两种混合气体浓度的同时检测。4、本文提出基于气体吸收线线宽的温度和压强测量的方法。通过测量不同温度和压强下气体吸收线线宽，即可推算出待测气体的温度和压强。结合上述同时对多种气体检测研究，以及气体的温度和压强检测方法研究，本文对多种混合气体、多参量进行同时检测，实现了基于软件锁相的混合式传感。关键词：TDLAS,SLIDT,EMD-FCR，重叠光谱分离，吸收线宽，多气体探测iABSTRACTInrecentyears,withtherapiddevelopmentof

7、scienceandtechnology,environmentalpollutionisbecomingagrowingtopicofconcern.Thegaspollutionharmtotheindustrialproductionsafetyandhumanhealthseriously.Tunablediodelaserabsorptionspectroscopy(TDLAS)combiningwithwavelengthmodulationspectroscopytechniqueandharmonicdetectiontechnologywi

8、thitsshortresponsetime,hig