【摘 要】
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石英增强光声光谱（Quartz-enhanced Photoacoustic Spectroscopy,QEPAS）气体浓度检测技术己经被广泛应用于环境监测、工业控制过程和医疗诊断等高精度痕量气体检测场合。但是该检测方式的精度受到激光器的注入电流、工作温度及输入气体流量的大小等多方面因素的影响。针对以上问题,本文以二氧化碳气体的浓度为检测目标,对石英增强型光声光谱二氧化碳气体检测系统进行优化,提升
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石英增强光声光谱（Quartz-enhanced Photoacoustic Spectroscopy,QEPAS）气体浓度检测技术己经被广泛应用于环境监测、工业控制过程和医疗诊断等高精度痕量气体检测场合。但是该检测方式的精度受到激光器的注入电流、工作温度及输入气体流量的大小等多方面因素的影响。针对以上问题,本文以二氧化碳气体的浓度为检测目标,对石英增强型光声光谱二氧化碳气体检测系统进行优化,提升该技术的检测性能及检测精度,并通过实验对优化后的系统进行验证。首先,DFB激光器（Distributed-feedback laser diode,DFB-LD）作为电流驱动式激光器,若驱动电流的抗干扰能力较差,则容易产生超出DFB-LD阈值范围内电流,进而导致激光器的损坏,因此为了保证激光器的稳定输出,需要对电流驱动信号加以控制。其次,DFB-LD对工作温度比较敏感,激光器的输出波长、输出功率、阈值电流都受到温度的影响。针对这一问题,采用STM32为DFB-LD激光驱动电路及温控系统的处理核心,设计激光器的正弦波及锯齿波发生电路,温度采集及控制电路。提出基于自适应遗传算法的模糊PID温度控制算法,并与传统PID控制算法及自适应模糊PID控制算法进行控制过程中各性能指标对比。通过驱动波形测试及温度测试对DFB激光器控制系统的有效性进行验证。目前气体浓度测量过程中,激光光强信号的归一化二次谐波信号都是通过数字锁相技术来完成的。通过这种方式进行检测时,会面临计算量大、耗时较长的情况。本文提出一种基于傅里叶级数展开的归一化二次谐波快速拟合算法。在此基础上,针对输入气体流量对石英增强型痕量气体检测系统精度的影响,提出双通道融合气体浓度拟合算法。搭建基于QEPAS的二氧化碳浓度检测平台,并进行傅里叶级数展开气体浓度拟合算法的验证实验,完成气体检测系统的扫描实验并对双通道融合气体浓度拟合算法的有效性进行验证。实验结果表明,经过优化后的QEPAS二氧化碳气体浓度检测系统的最低检测下限降低33.94%、信噪比提升41.88%、相对误差降低33.08%。采用双通道融合算法进行浓度拟合时,降低了气体流量对检测精度的影响,且系统最大检测误差为8‰。
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