基于激光光谱吸收的甲烷检测技术研究

摘要

随着科技的进步和发展观念的改变，绿色经济逐渐成为主要方向。而甲烷泄露不仅会对环境造成污染，稍有不慎甚至能引发危害性更大的工业安全事故，这对发展绿色经济相当不利，必须采取相应的措施解决因甲烷泄露产生的问题。由此可见，对甲烷气体的实时监测意义重大。 本文以甲烷浓度实时监测为目的，对比现有气体浓度检测方法，运用近年迅速发展起来的光学气体检测方法--可调谐二极管激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS）技术，开发基于TDLAS波长调制技术的隔爆型甲烷浓度实时监测系统。 首先以朗伯-比尔定律为切入点，结合TDLAS用于气体浓度检测的相关理论，对TDLAS用于甲烷浓度检测的波长调制和谐波检测等关键技术展开研究。运用研究获得的数学模型在LabVIEW软件平台上对基于TDLAS波长调制技术的气体检测过程进行仿真，验证理论分析的同时不断调试仿真模型来获取监测系统的最佳参数。依据上述气体检测模型和相应参数提出DFB激光模块、数据处理与显示模块、光学气室模块和隔爆型外壳等子模块的设计方案。在上述方案的基础上实现各独立模块的功能，搭建好完整的隔爆型甲烷浓度实时监测系统。 最后，用浓度递增的甲烷标气标定系统，设计实验测试方法，通过实验测定系统各项性能指标，比如示值误差、重复性、响应时间、零点漂移和量程漂移等，然后对系统进行评价，找出当前系统在设计过程中存在的缺陷，深入分析技术原理，提出相应的解决方案，消除因设计不合理而出现的缺陷以提高系统监测性能。分析现有的各项性能指标可知，本监测系统满足最初的设计要求，可实现甲烷浓度的实时监测。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 甲烷检测技术概述

1.3 TDLAS气体检测技术的国内外研究概况

1.4 研究内容与技术路线

第2章 TDLAS用于监测甲烷的理论基础

2.1 直接吸收光谱技术

2.2 波长调制--二次谐波检测技术

2.3 TDLAS甲烷监测系统选用的吸收波长

2.4 TDLAS甲烷监测系统的气室光程-浓度方程

2.5 本章小结

第3章 在LabVIEW软件平台上的光谱吸收过程仿真

3.1 基于LabVIEW的监测系统仿真模型构建

3.2 TDLAS气体监测系统调制参数的影响

3.3 本章小结

第4章 TDLAS甲烷浓度实时监测系统总体设计

4.1 系统的总体设计

4.2 DFB激光模块

4.3 数据处理与显示模块电路设计

4.4 供电电路

4.5 光学气室

4.6 监测系统硬件总体搭建方案与后端上位机软件平台

4.7 本章小结

第5章 监测系统的防护外壳设计

5.1 防爆壳体结构设计与材料选择

5.2 壳体厚度设计

5.3 防护外壳防爆性能分析

5.4 本章小结

第6章 实验测试及结果分析

6.1 测试环境搭建

6.2 系统测试与标定

6.3 性能测试与分析

6.4本章小结

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文