基于波长调制光谱技术的气体遥测系统的研究

作     者：苗澍茁 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王一丁

授予年度：2019年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070302[理学-分析化学] 0703[理学-化学] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：红外吸收光谱 气体遥测 波长调制光谱技术 锁相放大器 数字滤波 菲涅尔透镜 

摘      要：在煤矿生产与天然气输运过程中,具有易燃易爆性质的危险气体发生泄漏会引发灾难事故,严重危害矿下作业工人以及广大人民群众的生命安全。因此,只有对危险气体进行实时的浓度检测,才能防止事故的发生。考虑到泄露气体的危险性,为了保证气体检测人员的自身安全,对危险气体进行远距离遥测成为气体检测的重要研究方向之一。在众多气体检测方法中,可调谐二极管吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)中的波长调制光谱技术(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)因具有灵敏度高、抗噪声能力强,响应时间短等优点而应用广泛。鉴于此,本文研制了一种基于波长调制光谱技术、成本相对较低、且具有可集成为便携式仪器潜力的气体遥测系统。首先,分析了国内外红外气体遥测系统的研究现状,阐述了红外吸收光谱检测原理和TDLAS技术相关理论。介绍了正交锁相放大技术与分段快速傅里叶变换技术,并利用Matlab对两种二次谐波信号的提取方法进行了仿真和比较分析。选择了技术成熟且便于优化的正交锁相放大技术作为本文使用的谐波检测技术。其次,设计了数字正交锁相放大器。硬件电路包括前置放大与主放大电路、模数转换(ADC)电路、SCI(Serial Communication Interface,串行通信接口)串口通信电路、数模转换(DAC)电路等。软件方面,由于气体遥测系统易受噪声干扰,为进一步提高系统的抗噪声能力,在利用Matlab仿真验证可行性后,在数字正交锁相放大器中加入了Savitzky-Golay滤波算法对气体吸收信号进行数字滤波,最后详细介绍了软件总体程序流程。再次,介绍了气体遥测系统的光路方案。对遥测系统的核心,即菲涅尔透镜进行了数学建模和研究分析。利用Tracepro光学仿真软件设计了直径200 mm、焦距200 mm、厚度2 mm的菲涅尔透镜,验证了菲涅尔透镜应用于遥测系统的可行性。针对实际应用,研究了光路中可能存在的问题。最后,开展了甲烷气体遥测实验。针对是否采用Savitzky-Golay滤波算法,开展了对比实验。功能验证实验表明,本系统及相关处理方法能够提取二次谐波信号,证明了该遥测系统具备气体遥测的基本功能。在300ppm·m甲烷浓度下,采用Savitzky-Golay滤波算法可将二次谐波信噪比从17.575提高到27.471。对系统的标定实验表明,提取到的二次谐波信号幅值与气体浓度成正比,未采用Savitzky-Golay滤波算法时拟合优度为0.99861,采用Savitzky-Golay滤波算法后拟合优度为0.99989。Allan方差测试实验显示,未采用Savitzky-Golay滤波算法时,检测系统1σ检测下限为14.985ppm·m;采用Savitzky-Golay滤波算法后,1σ检测下限为7.443ppm·m。这证明了Savitzky-Golay滤波算法具有提高检测系统性能的作用。同时,在线遥测甲烷的实验证实,该系统具有快速响应浓度变化的能力,检测系统达到了应用于气体遥测的基本要求。本论文的创新点:1.采用分段快速傅里叶变换法提取二次谐波信号。2.采用Savitzky-Golay滤波算法提高气体遥测系统的抗噪声能力。