【摘 要】
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随着工业技术的发展,环境安全问题愈发引起了人们的关注。通常,大气中甲烷气体的含量约为1.8ppm（百万分之一）,属于典型的痕量气体,但大气中甲烷浓度的轻微增加却能明显地加剧温室效应,所以从源头上控制甲烷气体的排放量可以有效的减轻由于甲烷导致的温室效应。基于可调谐半导体激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS）技术,以其无接触、
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随着工业技术的发展,环境安全问题愈发引起了人们的关注。通常,大气中甲烷气体的含量约为1.8ppm（百万分之一）,属于典型的痕量气体,但大气中甲烷浓度的轻微增加却能明显地加剧温室效应,所以从源头上控制甲烷气体的排放量可以有效的减轻由于甲烷导致的温室效应。基于可调谐半导体激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS）技术,以其无接触、高精度以及快速响应等优点被广泛应用到痕量气体的检测中。本文从TDLAS技术检测痕量气体的基本原理出发,提出基于TDLAS的固定偏置下快速傅里叶变换（Fast Fourier Transformation,FFT）技术,简称为 TDLAS-FFT,搭建检测系统获得对应的实验数据,然后通过基于TDLAS常规的检测技术直接吸收光谱（Direct Absorption Spectroscopy,DAS）技术和波长调制光谱（Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS）技术实验结果。对比分析,最终证明了 TDLAS-FFT技术检测甲烷浓度的可行性,且能在一定程度上降低TDLAS检测痕量气体的成本,同时对系统进一步的小型化和集成化具有一定的现实意义。本文的具体研究内容如下:1.首先使用Python语言调用HITRAN数据库中的甲烷光谱数据,并利用Python语言编写的程序对甲烷的吸收谱线进行模拟仿真,以此选取出本文所使用的激光光源的波长,此波长不仅匹配甲烷的吸收谱线,同时也能有效地避免与其它气体吸收谱线的重合,排除了其它气体对甲烷检测精确度的影响。2.实现了 TDLAS技术检测甲烷浓度中实时监测功能的设计和开发。实时监测功能主要是通过图形化编程语言（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,Lab VIEW）、数据采集卡和配套的NI MAX软件来实现;使用DAS技术和WMS技术分别对甲烷的浓度进行定量检测,并分析各自的实验结果,通过对实验结果的分析,得出两种检测方法的优缺点。3.基于FFT的TDLAS技术检测甲烷浓度:提出DAS技术和WMS技术以外的一种新检测方法,此方法由于基于快速傅里叶变换,因此在一些方面优于DAS技术和WMS技术,是对TDLAS技术检测方法的一种补充。此部分内容包括:从FFT的原理和信号频域变换的基本知识出发,介绍了 TDLAS-FFT技术检测甲烷浓度的理论原理;使用TDLAS-FFT技术代替常规检测方法对甲烷浓度进行定量测量,实验步骤包括确定甲烷吸收点所在的范围、吸收信号的频域转换以及二次谐波信号的恢复;通过对比DAS技术、WMS技术和基于FFT的TDLAS技术的实验结果,不仅分析了 TDLAS-FFT技术与其它两种常规技术的区别,同时也证明了 TDLAS-FFT技术检测气体浓度的可行性。
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