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基于改进数字锁相放大器的激光气体浓度检测平台设计与实现

基于改进数字锁相放大器的激光气体浓度检测平台设计与实现

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作者：姜茂文华中科技大学

学位级别：硕士

油浸式变压器发生故障时,绝缘油会产生多种气体,其浓度能反映变压器的故障类型。然而市面上常规的激光气体检测平台往往存在检测种类单一、检测范围窄以及检测精度低等问题,并不适用于变压器油中气体浓度检测。针对这些问题,本文结合TD... 详细信息

油浸式变压器发生故障时,绝缘油会产生多种气体,其浓度能反映变压器的故障类型。然而市面上常规的激光气体检测平台往往存在检测种类单一、检测范围窄以及检测精度低等问题,并不适用于变压器油中气体浓度检测。针对这些问题,本文结合TDLAS检测原理,设计了一种基于改进数字锁相放大器的激光气体浓度检测平台。结合变压器油中气体的浓度检测应用场景,对检测平台的需求进行分析。在此基础上,从激光器驱动、高速数据采样及传输和数字锁相放大器三个方面,完成了基于STM32和FPGA整体硬件平台的设计和软件总体方案的规划。针对单个激光器无法覆盖油中所有气体的特征吸收谱线的问题,设计了一种基于恒温控制的激光器分时电流调制方法。通过单路激光器温度的分时调控和多路激光器分时复用的方式,实现了六种气体吸收谱线的扫描。并设计了激光器驱动实验,验证了电流调制技术和恒温控制的稳定性。为提升数模转换后的信噪比,设计了高速数据采样的电路;同时为提高采样精度的利用率,结合高通滤波电路,设计了一种自适应放大倍率的前置放大电路,可以动态调节采样信号幅值,解决了浓度范围过宽时信号无法还原的问题。最后基于TCP/IP网络协议,结合多路数据并行存取方法,解决了上位机数据监控和远程控制问题。针对气体浓度计算的问题,设计了基于多级滤波结构的数字锁相放大器。该结构通过CIC滤波器、S-G滤波器及FIR滤波器三者相结合的方式实现,完成了对原始信号的抽取、降噪和滤波的处理,提高了数字锁相放大器对微弱信号的处理能力。最后结合最小二乘法完成了对气体浓度和谐波比值的拟合,实现了气体浓度的反演。搭建了气体检测实验平台,对设计的气体浓度检测平台进行了实验验证,设计并完成了谐波提取实验、浓度拟合实验和稳定性实验。实验结果表明,浓度计算结果的波动度小于1%,其浓度拟合线性度均大于0.99,测量的气体范围满足设计需求。证实了所提激光气体浓度检测平台具有稳定性强、适应性广、可靠性好等优点。

关键词： TDLAS 数字锁相放大器气体浓度检测激光器驱动多级滤波结构

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