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开题报告

毕业设计（论文）

开题报告

题目：

TDLAS氧气浓度测量中的

信号检测技术研究

专业：

测控技术与仪器

班级：

仪113班

学生：

王小明

指导教师：

于殿泓

2015.03.28

一、毕业设计（论文）课题来源、类型

横向科研课题。

2、选题的目的及意义

本文探讨了激光二极管频率调制和谐波检测技术后，采用可调谐二极管激光器吸收光谱学技术测量氧气气体浓度的技术方法。

由于激光器具有很好的单色性、方向性、高能量密度等突出优点，使其成为环境监测的首选工具。

可调谐二极管激光器的体积小、操作方便易安装、可以进行远程测量；激光器狭窄的线宽、波长的可调谐和稳定的输出，使其具有更快的响应时间。

氧气在大气成分中占到了大约21%的比重，它作为一种重要的助燃气体，在工业生产和日常生活中发挥着举足轻重的作用。

比如，在烃类的氧化、废水的处理、火箭推进剂以及航空、航天和潜水中供动物及人进行呼吸等方面均需要用到氧气。

近年来，随着中国工业化水平的不断发展与提高，人民的生活水平和社会经济状况都取得了巨大的进步。

但工业化水平在迅速增长的同时也带来了越来越突出的环境污染问题。

目前，环境污染源主要表现在：

人们日常生活所排出的废烟、废气、垃圾、脏水、噪音；交通工具（包括所有的燃油车辆、轮船、飞机等）排出的废气和噪音；大量使用化肥、农药、除草剂等化学物质的农田流出的水等。

其中最为突出的要数大气污染。

我国的大气污染属于煤炭型污染，主要的污染物是烟尘和二氧化硫，此外，还有氮氧化物和一氧化碳等。

科学研究已表明，城市大气的化学性污染是慢性支气管炎、肺气肿和支气管哮喘等疾病的重要诱因。

因此，大气污染严重影响着人体健康，对气体的监测也随之变得十分必要。

目前，产生大量有害气体的工厂企业主要集中在钢铁冶炼、石油化工和生化制药等领域。

在这些工业生产领域中，氧气是燃烧过程中最重要的助燃气体。

氧气浓度的大小直接影响着燃烧效率和燃烧的充分程度，决定着燃烧后所排放气体的种类与含量，如果氧气含量不足，燃烧不充分，则会产生一氧化碳等有害气体，既污染环境，又损害人体健康。

对氧气浓度的实时监测不仅有助于提高燃烧效率、降低污染物的排放，而且直接关系着工业生产环境的安全进行和工人的人身安全。

例如在钢铁行业中，H2、CO、CH4等气体是焦炉煤气中的主要成分，均是危险的爆炸性物质。

当焦炉煤气中存在一定浓度的O2时，则有可能引发爆炸、火灾等事故，影响正常的生产并危及人体生命安全。

因此在生产控制过程中实时快速地监控氧气的含量，可以优化燃烧过程，提高生产效率和产品质量，具有经济增长和环境保护的双重效益，对安全生产具有重要的意义。

目前用于检测气体浓度的技术主要可分为非光学法和光学法。

非光学法主要包括电化学法、气相色谱法等。

但它们普遍存在干扰成分多、稳定性较差、系统维护量大等缺点。

传统的气体分析仪都存在一定的缺陷，对环境要求比较苛刻，易受背景气体的交叉干扰，稳定性差。

加之氧气的吸收强度比大气中其他气体要低的多，所以利用传统方法检测氧气浓度存在很大的困难。

近年来，可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术的发展以及近红外DFB和VCSEL等激光器生产的突破，为氧气浓度的检测开辟了新的路径。

TDLAS技术主要是利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性实现对分子的单个或几个距离很近很难分辨的吸收线进行测量。

它结合波长调制技术（WMS）广泛应用在大气污染物监测、生物医疗、航空航天等领域。

正是在这样的背景意义下，本文提出了基于TDLAS技术的氧气气体分析仪的研制，具有经济和环境双重效益。

最终实现TDLAS技术用于氧气浓度测量系统中探测器对激光信号的接受与处理。

三、本课题在国内外的研究状况及发展趋势

在气体浓度检测方面，主要集中在非光学测量法和光学测量法两种方法上。

非光学法主要包括汞置换法、电化学法、气相色谱法等。

其中，汞置换法是将净化后的含有待测气体的空气与热的氧化汞（180～200℃）发生化学反应，置换出汞蒸汽，利用光电器件检测汞的含量，进而计算出待测气体浓度。

但当氧化汞加热时，自身热解会引起高而不稳定的汞蒸汽，造成基线漂移和噪声干扰，影响测量的精确度；用电化学法测量气体时，如果有较复杂的背景气体，其会与待测气体发生化学反应，造成测量结果不准确；气相色谱法基于色谱原理，用来分析、分离多组分混合物。

其应用范围广、选择性和灵敏度高，但受复杂环境的影响很大。

这些非光学测量方法干扰成分多，稳定性较差，系统维护工作量大。

光学法是利用光与气体分子发生相互作用的机理来对待测气体进行探测的。

该方法能够实现准确测量和在线检测，系统稳定，维护工作量小，是目前较流行的光谱检测技术。

国外对TDLAS技术的研究起步较早，大概出现在20世纪70年代，由Ed.Hinkley等人提出。

因该技术以激光作为光源，所以激光器的发展在很大程度上影响了TDLAS技术的发展。

到20世纪70年代，应用到TDLAS技术上的激光器主要是铅盐激光器，但这类激光器在当时只能在非常低的液氮甚至是液氦温度下运转，设备复杂且价格昂贵，从而限制了该技术的应用与发展。

如1998年，德国海德尔堡大学的P.Werle等人利用垂直外腔面发射激光器实现了对O2浓度的检测；2001年，美国斯坦福大学的J.Wang等人利用二极管吸收技术在760nm处附近探测了O2浓度，但主要是在实验室阶段。

除此之外，爱尔兰trinity大学、日本索尼公司等均在该方面进行了研究。

如今，德国西门子公司在过程分析仪器产品中又推出了LDS6二极管激光气体分析仪，响应时间达到1s，可适应条件苛刻的环境。

AndreasHangauer等人利用TDLAS技术，以VCSEL激光器为光源对O2浓度进行探测，研制出了用于汽车排气管系统的燃烧传感仪，性能良好，成本低廉。

瑞典的U.Gustafsson等人利用二极管激光器实现了O2、H2O等混合气体的同时监测。

国内利用TDLAS技术检测气体的浓度起步较晚，主要开始于20世纪80年代末，其中以中国科学院安徽光学机械精密研究所最为突出。

近二十几年间，我国对TDLAS技术用于气体检测方面的研究得到了迅速的发展并取得了骄人的成绩。

中国科学院安徽光学机械精密研究所在2001年完成了长光程差分吸收光环境空气质量监测系统的研制开发工作，2004年完成了我国首套机动车尾气排放道边在线监测系统，2005年实现了基于TDLAS技术的温室气体在线监测系统的研制，2007年实现了基于TDLAS的城市地下燃气管道泄漏探测系统；聚光科技（杭州）有限公司采用TDLAS技术开发的LGA系列半导体激光现场在线气体分析仪，解决了背景气体交叉干扰、粉尘污染等问题，在钢铁、水泥、石化、航天等领域取得了良好的应用；西安聚能公司、北京凯尔科技发展有限公司、北京北斗星工业化学研究所等单位也对气体分析仪做了相应的研制。

除此之外，天津大学、杭州电子科技大学、浙江大学、重庆大学、西南科技大学等国内高校也开始对TDLAS技术应用于气体检测方面进行了积极的研究。

目前在我国市场上销售的基于二极管激光光谱技术的气体浓度检测仪器以国外的产品为主，它虽然准确度高、十分灵敏、可连续监测、得到结果快的特点，但是仪器的价格昂贵。

所以研制我国自己的基于TDLAS技术的气体浓度分析仪将具有很大的市场前景。

四、本课题主要研究内容

图1氧气气体分析仪基本结构

本课题主要借助近年来发展起来的可调谐激光二极管吸收光谱技术（TDLAS）来研制一种氧气气体浓度测量中的信号检测部分及总体分析仪。

仪器的基本结构如图1所示。

图2氧气气体分析硬件电路方案框图

微控制器控制可调谐激光二极管发射出一束特定波长的调制激光，激光束通过充有一定浓度O2的气室，被O2“选频”吸收后携带有用信息被探测器接收，探测器将接收到的光信号转换为电信号后经过滤波、锁相放大及A/D转换处理后送给微处理器，通过微处理器处理获得O2的浓度信息。

TDLAS实验系统基本硬件电路如图2所示，该系统利用激光温度控制和电流控制电路，使二极管激光器工作在恒定温度下并输出功率稳定的近红外连续激光，而且将其调节在待测气体吸收谱线的中心波长处。

锯齿扫描电路输出频率为10Hz、幅度一定的锯齿波信号到激光器的电流控制部分，以对待测气体吸收谱线进行扫描。

高频信号产生电路输出一定幅度的频率ƒ为3KHz的正弦波信号对激光器的注入电流进行调制，以实现波长调制。

经过调制的激光通过充有待测气体的样品池后由探测器接收，把光信号转化为电信号，送至锁相放大器。

锁相放大器根据高频信号产生电路输出的2倍频率的参考信号2ƒ，对探测器信号进行解调，而输出二次谐波吸收信号光谱，并由计算机采集和处理。

鉴于此，本课题的主要研究内容包括：

1）了解并掌握可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）用于氧气气体浓度检测的基本原理。

即TDLAS技术用于气体浓度的检测原理：

TDLAS是基于气体吸收光谱的一种激光监测技术，遵从Lamber-Beer定律。

即一束激光穿过一浓度为C的被测气体时，当激光器的波长和被测气体某个吸收谱线中心频率相同时，气体分子会吸收光子而跃迁到高能级，表现为气体吸收波段激光光强的衰减并处理其衰减的强度关系。

2）

光电二极管（探测器）的工作原理如图3所示：

激光源控制电路及探测器接收信号处理电路的设计与分析。

设计激光源温控与电流控制电路等，保证激光二极管发出的激光波长稳定在O2吸收线760nm处，因检测到的O2的光谱信号很弱，所以要同时避免波动噪声的干扰，提高信噪比。

设计接收信号在进行A/D转换前的滤波处理和锁相放大等处理电路。

3）设计基于DSP（数字信号处理）的下位机硬件系统，包括系统供电电源、激光源控制、探测器控制、信号采集与传输等。

对接收到的光谱信号进行滤波等处理，研究接收到的信号与浓度之间的关系。

4）基于kiel、C的系统应用软件开发，实现对所需波形的控制输出，实现对数据的采集、处理、分析等，完了进行理论的实验，最终实现测量中的信号检测。

五、完成设计的条件和拟采用的研究手段（途径）

1.1TDLAS技术

TDLAS技术是利用激光能量被气体分子“选频”吸收后形成吸收光谱的原理来测量气体浓度的，它是基于气体吸收光谱的一种激光监测技术。

即穿过被测气体的激光波长与被测气体某一吸收线中心频率相同时，该频率的光子会被吸收而使激光光强衰减。

TDLAS技术遵从Beer-Lambert定律，表示如下：

（1）

其中，

为通过被测气体后的激光强度，

为输入激光强度，

是吸收谱线强度，

是气体吸收谱线线型函数，

为气体压强，

为气体浓度，

为光程长。

实验中只要得到激光强度的衰减值便可计算出气体的浓度。

1.2系统硬件方案

系统总体的结构和流程更能直观的体现该课题实验的步骤及所需模块，如下图4所示为系统总体结构示意图：

图4系统总体结构示意图

由激光器发出波长为760nm的一束激光，经准直后通过吸收池被待测气体（O2）吸收，再由探测器接收；探测器将接收到的光信号转换为电信号，经滤波和锁相放大后送给微处理器（DSP）进行处理获得气体浓度。

激光源的控制包括温度控制和电流控制两部分：

温度控制由温控电路实现；电流控制部分由叠加在稳定直流电流上的锯齿扫描波和高频正弦波组成，同时该高频正弦信号送给锁相放大电路，作为谐波检测的参考信号。

1.3接收信号的采集与处理

探测器将接收到的微弱光谱信号转换成电信号，经处理放大后送给微处理器进行信号处理。

这一过程主要采用了锁相放大技术。

因此在电路中要设计锁相放大电路。

根据TDLAS技术波长调制的原理，二次谐波检测信号可表示为

（2）

其中，

是由电流调制所引起的光频变化幅度。

由此可推导出待测气体的浓度为：

（3）

由实验标定获得。

故在固定调制深度的条件下，二次谐波信号幅度与气体的浓度成正比关系。

因此可以通过处理得到的二次谐波信号的幅度来获得气体的浓度。

研究中拟采用的信号提取与浓度计算过程如下：

锁相放大器提取二次谐波信号→采用时间平均滤波、谱线平滑滤波等方法去除噪声干扰→提取二次谐波峰值信息→利用已知浓度气体的标准二次谐波谱线强度和所测得的二次谐波谱线强度进行比对处理，得到待测气体的浓度信息。

六、本课题进度安排、各阶段预期达到的目标：

第一阶段：

查阅资料，了解并掌握TDLAS（可调谐二极管激光吸收光谱）技术用于气体浓度检测的基本原理、方法及特点。

查阅资料，了解和掌握光电二极管的棘手原理及特点，着重掌握用于基于激光技术气体分析的光电接收器件的功用。

学习AltiumDesigner、Keil、C语言等相关软件的应用。

撰写并提交开题报告。

第二阶段：

深入分析光信号接收过程中的参数特性，确定节手器件并熟悉相应传感器原理，初步确定测量系统硬件方案。

规划硬件总体方案，完成文献翻译。

掌握AltiumDesigner、Keil、C语言等相关软件，结合测量要求，确定对硬件资源及配置的基本要求。

规划硬件功能模块，设计硬件系统原理图。

第三阶段：

设计硬件系统PCB板图并完善原理图。

搭建硬件试验平台，编制下位机软件。

调试硬件系统及下位机程序至运行无误。

对设计方案进行最后处理。

第四阶段：

撰写文献综述；撰写毕业论文，准备答辩。

七、指导教师意见

指导教师：

八、所在专业审查意见

负责人：

时间：