基于TDLAS的甲烷气体浓度检测系统研究

"这篇论文是西南科技大学矫晓敏的硕士学位论文，主题是基于TDLAS（可调谐二极管激光吸收光谱）技术的甲烷气体测量系统的研究，主要探讨了如何通过检测二次谐波幅值来反演甲烷气体的浓度。论文中详细介绍了系统的设计、制作以及优化过程，包括光源选择、气体室和配气系统的构建、光探测放大电路设计、嵌入式系统设计、信号处理和控制终端的开发等。此外，还涉及了噪声分析、信噪比提升、温度和压力补偿算法，以及实验研究和系统性能评估。" 文章内容详述如下： TDLAS（可调谐二极管激光吸收光谱）是一种精确探测气体浓度的技术，尤其适用于环境污染检测和工业生产过程中的在线测量。矫晓敏的论文在深入分析国内外气体浓度检测技术现状和发展趋势的基础上，聚焦于利用激光二极管的波长调制技术，通过检测产生的二次谐波幅值来推算甲烷的浓度。选择1653nm作为甲烷气体的探测波长，这是因为该波长对应于甲烷的特定吸收峰，能有效识别和测量甲烷的存在。 论文中设计并制作了一个完整的TDLAS甲烷气体浓度检测系统，其中包括可调谐DBFLD（分布式反馈激光二极管）作为光源，以及专用于气体测量的气体室和甲烷配气系统。为了降低噪声并提高信号质量，设计了低噪声光探测放大电路和滤波电路，并采用锁相放大技术来提取二次谐波信号。同时，利用嵌入式系统构建了信号处理及控制终端，基于S3C2410微处理器并在Linux操作系统上开发了数据采集和处理程序。 论文还探讨了系统噪声的来源和类型，为提高信噪比提供了理论支持，并通过光电转换电路测试，得出了系统信噪比为8.946×10^5 c2/Hz。为了提升测量精度，研究了温度和压力补偿算法，这些算法能够抵消环境变化对测量结果的影响。 实验部分，作者研究了激光二极管的工作条件（如温度和电流调制）对二次谐波信号的影响，以及外界压力和温度对甲烷吸收谱线的影响。进一步，建立了甲烷浓度与二次谐波幅值之间的关系模型，通过实验验证了系统的测量性能，如示值对比、重复性、稳定性以及灵敏度，系统理论探测灵敏度达到了33ppm，证明了该系统的可行性和实用性。 关键词：调谐激光、甲烷、谐波检测、嵌入式系统、温度补偿、压力补偿。这些关键词集中反映了论文的主要研究内容和技术焦点。