【摘 要】
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可调谐半导体吸收光谱(TDLAS)技术具有高分辨率、高灵敏度、快速响应、本质安全和可远程监测的特点,广泛应用于煤矿安监和能源化工等领域。针对TDLAS原理的激光气体传感器实际应用需求,本文从模型仿真、软硬件优化和实验测试等方面开展算法设计与集成化开发,着力提高激光气体传感器的温度稳定性和器件集成度。主要研究工作如下:(1)搭建TDLAS激光气体传感系统仿真模型。基于TDLAS系统使用到的直接吸收光
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可调谐半导体吸收光谱(TDLAS)技术具有高分辨率、高灵敏度、快速响应、本质安全和可远程监测的特点,广泛应用于煤矿安监和能源化工等领域。针对TDLAS原理的激光气体传感器实际应用需求,本文从模型仿真、软硬件优化和实验测试等方面开展算法设计与集成化开发,着力提高激光气体传感器的温度稳定性和器件集成度。主要研究工作如下:(1)搭建TDLAS激光气体传感系统仿真模型。基于TDLAS系统使用到的直接吸收光谱(DAS)技术和波长调制光谱(WMS)技术,根据相应理论公式推导,分别搭建TDLAS-WMS和TDLAS-DAS气体检测系统的仿真模型。针对气体浓度与外界温度变化对系统输出信号的影响,提出解决方案,优化气体检测系统模型。仿真并验证了该气体检测模型的可行性。(2)研制软硬件一体化集成的激光气体传感器。整体硬件电路成单板圆形排布,电路板直径不超过5 cm。设计并优化PID温控算法、WMS数字锁相算法和DAS直接吸收算法,将WMS数字锁相算法与DAS算法进行有机结合,扩展了气体浓度检测的动态范围,提高了宽量程检测的线性度。通过气体标定实验研究分析出应用上述两种算法的浓度分界点,通过软件设置实现数字锁相WMS算法与DAS算法的自动切换。实验结果表明:该激光气体传感器对甲烷气体的实际测量值与标准气体浓度值的相关系数R~2为0.9997,系统相对误差在-2.823%~1.72%,体现出良好的线性度和准确性。(3)提出通过实时调控激光器设定工作温度来锁定激光器输出波长的方法,解决高低温环境下激光器中心波长漂移的问题。针对环境温度对气体吸收系数的影响,进一步改进传感器系统结构,设计集成参考气室,有效减小温度变化引起的气体浓度测量误差。实验结果表明,在-10℃至50℃的高低温环境变化时,优化改进后的气体传感器系统的相对误差控制在±1%以内,具有优异的温度稳定特性。
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