基于TDLAS的痕量气体浓度检测系统设计毕业论文
2022-04-17 10:04
论文总字数：22861字
摘 要
乙炔（C2H2）是一必不可少有机材料，它常常被应用于工业领域。例如，乙炔通过燃烧可以切割或焊接金属。然而，乙炔也是一种易燃易爆气体，并且生产乙炔时常常用到硫化氢，所以它也带有硫化氢的毒。因此，乙炔的敏感和实时检测是非常重要的。
由于传统气体检测存在可靠性低、实时性不好、灵敏度低等缺点，本文引入基于TDLAS的吸收光谱技术，设计了乙炔气体检测系统，它以郎伯-比尔定律为依据，对气体检测过程中的关键理论进行分析并实现，如TDLAS技术和WMS技术，它具有检测精度高，选择性好，响应速度快，非接触式测量和寿命长的特点，并且采用长距离和低损耗光纤，该气室可以放在远程监控区域进行监控，因此该系统在工业领域得到广泛的应用。
本文只要目的是设计测量乙炔浓度，研究主要从以下几个方面展开：一、主要介绍了检测技术的重要性，传统检测法和光学气体检测方法简介，分析其有缺点，引出了TDLAS技术，介绍TDLAS技术国内外研究情况，本文研究的意义。二、详细对TDLAS技术原理进行分析，是第三章的理论基础，气体吸收谱线的选择，重点介绍了波长调制和谐波检测原理。三、TDLAS硬件部分，主要各个部分的硬件的选型，以及工作原理，电路图等等，四、TDLAS软件部分，主要分析了STM32的软件处理，最后计算出浓度。
关键词：乙炔 气体检测 TDLAS
Design of trace gas concentration detection system based on TDLAS
Abstract
Acetylene (C2H2) is an important organic raw material, it is widely used in industrial fields. For example, acetylene can be used to cut and weld metal by burning. However, acetylene is also a flammable and explosive gas, and the production of acetylene often use hydrogen sulfide, so it is also with the poison of hydrogen sulfide. Therefore, the sensitive and real-time detection of acetylene is very important.
Because of the shortcomings of traditional gas detection, such as low reliability, poor real-time performance and low sensitivity, this paper introduces the tunable diode laser absorption spectroscopy, designs the detection system of acetylene gas, with the Lambert - Bill's law as the basis. The key theories of gas detection are analyzed and realized, such as TDLAS technology and WMS technology. It has high detection accuracy, good selectivity and fast response characteristics, non-contact measurement and long service life, and with long distance and low loss optical fiber, the chamber can be placed in the remote area, so the system can be applied good in the industrial field.
The main purpose of this paper is to design the measurement of acetylene concentration, mainly from the following aspects: One, the importance of detection technology is introduced, the advantages and disadvantages of them are analyzed, the TDLAS technology is introduced, and, introduces the TDLAS technology at home and abroad and the significance. Two, this paper analyzes the principle of TDLAS technology in detail, and is the theoretical basis of the third chapter, the selection of gas absorption spectrum, focusing on the principle of wavelength modulation and harmonic detection. Three, this chapter is the main parts of the hardware selection, as well as the working principle, circuit diagram. Four, TDLAS software part, the main analysis of the STM32 software processing, and finally calculate the concentration.
Keywords: acetylene; gas detection; TDLAS
目 录
摘要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2 常见气体检测技术 1
1.3 TDLAS技术的发展趋势 3
1.4 本文研究的主要内容 3
第二章 TDLAS的理论基础 5
2.1 气体分子吸收光谱基础理论 5
2.2 气体吸收谱线选择 5
2.3朗伯-比尔定律 5
2.4 调制光谱学 6
2.5谐波检测原理及谐波次数选择 7
2.5.1 谐波检测原理 7
2.5.2 谐波次数选择 7
第三章 气体检测仪设计 8
3.1系统采用的技术路线 8
3.2 发射单元 9
3.2.1 光源 9
3.2.2 激光驱动器 10
3.3 调制信号源 14
3.3.1 高频信号产生电路 15
3.4长光程吸收池的设计 16
3.5探测前置放大 17
3.5.1光电探测器 17
3.5.2前置放大器 17
3.6带通滤波电路 18
3.7锁相放大器设计 19
3.8相敏检测 20
3.8.1低通滤波器 21
3.9锁相倍频电路 22
3.10移相电路 24
3.11 直流分量的提取 25
3.12 数据的显示及处理 26
3.12.1 AD转换 27
3.12.2 数据的显示 27
第四章 系统软件设计与浓度反演 28
4.1软件设计程序 28
4.2 DDS接口程序 28
4.3 A/D转换程序 29
4.4浓度反演 30
结语 31
参考文献 32
致谢 34
附录1：TDLAS气体浓度检测系统原理图 35
第一章 绪论
1.1课题背景
工业生产过程中经常会使用或产生各种有毒易燃易爆的气体，因为气体爆炸或泄露引起的事故数不胜数。因此，环境保护和工业生产安全成为各个国家都面临的问题，例如：一氧化碳、甲烷、硫化氢、二氧化硫、乙炔、二氧化碳等等，接触到一氧化碳的范围比较广，它可以作为燃料、冶炼金属、合成氨、生产甲醇、使用CO作为燃料等等。但是当在空气中比例达到一定的限度之后，遇到火源将会爆炸，并且进入人体会造成中毒。甲烷分布较广，甲烷可以合成C2H2、CO、H2等物质，甲烷的一个典型形成区就是煤矿，甲烷比空气轻，容易在煤矿上方聚集，只要在5%-15%范围内就会发生爆炸，严重威胁人身安全。硫化氢，分子式为H2S，易燃、酸性、剧毒并且有臭鸡蛋味，在明火、高热的情况下能会燃烧爆炸[2]。但是它是化学中很重要的原材料，例如:二硫化碳、硫化染料等。二氧化硫主要作用是:作为漂白剂、食品防腐（不能超标）、生产硫酸、生产涤纶等等。但在大气中，二氧化硫会氧化而形成硫酸雾，是酸雨的成因之一，它会造成植物枯死，金属腐蚀，会对人的肺组织造成很严重的伤害，尤其是患有呼吸道疾病的人。乙炔（C2H2）是一种常见的有机材料，它被广泛应用于工业领域。例如，乙炔通过燃烧可以用来切割或焊接金属；并且它是有机合成的重要原料。然而，乙炔也是一种易燃易爆气体，并且生产乙炔时常常用到硫化氢，所以它也带有硫化氢的毒。因此，乙炔的敏感和实时检测是非常重要的[3]。二氧化碳，对于人身体健康影响较小，但是它是温室效应的主要气体，引起全球变暖，冰川融化，海平面上升。这些气体的精确检测对于环境保护、工业生产安全以及生命财产安全至关重要[4]。以上几种气体即为我们工业生产中常见的几种气体，气体超标或者泄露会有的会发生爆炸，有的则会使人中毒，严重危害我们生命财产的安全，一个灵敏的、实时的、精度高的气体检测装置十分重要，在气体浓度高的时候，迅速报警，做好安全措施。
1.2 常见气体检测技术
常见的气体浓度测量有传统测量和光学测量，传统的检测法分为利用电阻气敏检测法、载体催化燃烧法、气象色谱法、示宗气体浓度衰减法等等。光学检测主要是基于光谱学的。
气相色谱法的原理是：不同气体通过色谱柱时，会产生不同的速度，因此不同浓度的气体色谱会有明显的差异，然后根据色谱进行分析，计算出当前气体的浓度，这种测量方法快捷，线性范围较宽但能得到较为理想的效果，并且需要进行流动相检测，实时性不好。载体催化法通常是用来检测可燃性的气体的，它的检测原理是：这种检测方法以气敏元件作为检测气体浓度的传感器，传感器通常是由铂丝烧结陶瓷，并且在上面涂覆铑(Rh)、钯(Pd)、催化活性物质够成。铂丝中通电流，使它的工作温度达到能使气体燃烧的反应温度，气体燃烧使铂丝的阻值发生变化，气体浓度与铂丝阻值变化成正比，根据阻值可以计算出气体浓度。当压力、温度发生变化时，气体检测结果也将发生变化。电阻气敏检测法和载体催化法原理差不多，都是利用阻值来反应气体浓度的。在使用的时候，通常会和标准元件组成电桥电路，电桥电路的供电电压和非线性特性会产生较大的影响。
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