基于TDLAS甲烷气体探测传感系统设计

作     者：陈昊玥 

作者单位：长春理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：衣文索

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 070602[理学-大气物理学与大气环境] 0706[理学-大气科学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：可调谐半导体吸收光谱技术 最小均方自适应算法 甲烷气体浓度检测 波长解调技术 

摘      要：分析几种检测甲烷气体的方法,可调谐半导体吸收光谱(TDLAS)技术有非接触测量、灵敏度高、响应时间快、不易受到污染等特点,在天然气检测、油井检测、铁矿检测、环境检测等检测甲烷气体浓度方面被广泛的应用。搭建TDLAS传感系统实验,采用光纤环形器的目的是避免了光学元件与电子元件在同一侧互相损坏、互相影响,采用正交锁相放大器提取二次谐波信号为了滤除激光产生散射、粒子噪声、电子噪声,提高精度,在经过正交锁相放大器后处于慢变中噪声不能抑制,最后采用最小均方自适应算法滤波把大部分的处于慢变中噪声滤除,提高系统的精度。在这基础上,设计基于TDLAS甲烷气体探测传感系统。主要研究内容如下:(1)研究红外光与甲烷气体的相互作用和甲烷气体的吸收光谱,介绍Lambert-Beer定律和它的计算公式,并推导出在波长解调技术下二次谐波信号的公式,最后介绍锁相放大器和正交锁相放大器原理,采用正交锁相放大器,作为信号处理模块;(2)完成TDLAS传感系统的整体设计、准直透镜设计、探测器和气室设计,采用准直透镜为双胶合透镜,为了减小球差,采用光电探测器为PIN光敏二极管,把光信号转变成电信号;(3)分析LED和激光器的特点,选择激光器,再分析DFB、VSCEL和ECDL的特点,采用DFB作为光源,驱动电流和温度共同控制着DFB发出不同波长的光,所以设计驱动电路和温控电路来控制DFB发出1653nm的激光;(4)分析了普通光敏二极管、PIN光敏二极管、雪崩光敏二极管的特点,采用PIN光敏二极管,并介绍了PIN光敏二极管技术参数。运算放大器作为前置放大电路的核心器件,采用OPO7C运算放大器,并设计前置放大电路;(5)以正交锁相放大器作为信息采集模块,并设计90度相移模块、乘法器模块和低通滤波器模块。低通滤波器模块采用以运算放大器CLC425为核心的二阶Sallen-Key低通滤波器;(6)采用最小均方自适应算法滤除到大部分的处于慢变中噪声。通过Matlab对最小均方自适应算法不同滤波器阶数和步长进行仿真,得到滤波器阶数为2、步长为0.0001方自适应算法收敛速度和信噪比满足实验要求。