光学检测二氧化硫浓度关键技术研究

作     者：李梅梅 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王书涛

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：SO2 EMD 紫外差分吸收-荧光法 FPGA 微弱信号检测 

摘      要：近年来全国性的雾霾天气，已清楚的向人们展示了环境污染的严重程度。SO2是空气中主要污染物之一，也是衡量空气质量的主要参数。为了有效监控和治理SO2污染，急需研制气体在线检测设备。本文结合光纤传感技术，紫外吸收光谱技术，荧光光谱技术，双光路差分技术及微弱信号检测技术设计了一套用于SO2浓度检测的测量系统。 首先，从紫外吸收光谱及荧光光谱测量机理着手，建立了SO2的光谱数据模型，通过分析SO2气体的吸收和荧光光谱特性，得到了其在紫外波段的吸收光强与其含量之间的定量关系，并推导出紫外波段SO2浓度与荧光强度之间的数学模型。 其次，利用双光路差分检测技术有效降低了光源不稳定因素带来的干扰。设计了可实现吸收光谱法及荧光光谱法对SO2浓度检测的特殊光路结构，检测设备中两种检测方法共用同一光源和处理设备，实现了系统多路复用。设计了集I/V转换电路、跟随电路及差分放大电路于一体的前置放大电路，除法电路及低通滤波电路。 再次，搭建了FPGA的数据采集与控制的硬件系统，实现了对氘灯光源及光电倍增管(PMT)的实时恒温控制、对测量系统输出的光电信号进行AD转换和存储，并通过MATLAB软件中GUI模块设计了检测系统模型。实现了数据动态实时显示并可观测数据处理结果，同时可以对SO2进行实时监控。 最后，提出将经验模态分解方法(EMD)应用到光谱学检测中，并将采用的EMD滤波算法与小波降噪方法进行对比。降噪效果评价指标表明EMD效果更佳。同时，将处理后的数据进行了多组实验，通过实验更加有效的验证了数据处理的有效性及检测系统的准确性。