谐波特性影响因素以及TDLAS谐波法水蒸气检测系统标定研究

摘要

水蒸气浓度的检测在超高压输电系统、天然气、能源利用领域均具有重要的意义。本文以可调谐半导体吸收光谱技术(TDLAS)为理论基础，对波长调制光谱技术(WMS)的理论模型进行详细分析，采用二次谐波法来检测水蒸气的浓度。对谐波法检测水蒸气浓度的系统结构以及工作方式进行详细阐述。对调制幅度、扫描范围、温控驱动以及参考信号与调制信号之间的相位差对于二次谐波特性的影响进行了细节探究，为谐波波形的优化提供了依据。并且，通过使用模拟吸收信号源对系统进行分模块标定，对系统的性能检测以及优化具有重要意义。本文的内容和创新点主要包括:
　　1.对水蒸气检测在超高压输电、天然气以及能源利用领域的重要意义进行了概述;介绍了水蒸气检测的常用方法;并对本文中所使用的TDLAS谐波法的优势以及发展状况进行了说明。
　　2.对水蒸气吸收谱线以及其在不同情况下的展宽机制进行了详细探讨;以比尔-朗伯定律为基础，在波长调制的情况下，对谐波法检测气体浓度的理论模型进行了系统地分析研究;并对锁相技术提取水蒸气吸收产生的二次谐波信号的方法进行了基本说明。
　　3.对TDLAS谐波法测水蒸气浓度的检测系统主要元件构成以及工作过程进行详细阐述。采用无水底的激光器、探测器来降低系统本底水噪声;采用具有Herriot多次反射长光程气室，有效地提高同等浓度信号的吸收强度;使用具有16位模拟/数字转换通道的高性能单片机来优化检测系统的分辨率;使用基于AD630的信号解调电路对二次谐波信号进行有效准确的提取。
　　4.针对本文中所使用的二次谐波的峰-谷值检测参量，对驱动信号对于谐波幅值影响进行了详细探索，并最终确定最佳的调制幅度以及扫描范围。并且，针对温控驱动以及参考信号与调制信号之间的相位差对于二次谐波对称性的不同影响进行了分析:温控驱动主要影响二次谐波在基底处的对称性，而参考信号与调制信号的相位差主要影响二次谐波在旁瓣处的对称性。根据不同因素对谐波特性所产生的不同影响，针对性的提出了对谐波波形的优化，并对剩余幅度所带来的影响进行补偿。
　　5.首次制作了基于二次谐波法水蒸气浓度检测系统的模拟吸收信号源，并通过模拟吸收信号源对基于二次谐波法检测水蒸气浓度的系统进行模块化分析标定。根据比尔-朗伯定律，在波长调制的情况下，模拟水蒸气实际吸收过程，将带有吸收凹陷的驱动信号输入至检测系统。通过使用该模拟吸收信号源，实现对检测系统不同组件性能的针对性分析。将该模拟吸收信号源分别输入至系统中的电路系统，电路以及光路系统，电路、光路以及气室（完整的系统），通过对检测结果中谐波波形，系统线性度，系统稳定性的对比分析，可对不同模块进行针对性优化。最终通过实际吸收来对检测系统的线性度以及稳定进行标定研究。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景

1．2 常用检测方法

1．3 TDLAS技术简介

1．4 国内外研究现状

1．4．1 国外的研究现状

1．4．2 国内的发展现状

1．5 本文主要研究内容

第二章 气体吸收光谱检测原理及TDLAS基本理论

2．1 气体吸收光谱理论

2．2 比尔朗伯定律

2．2．1 水蒸气的吸收线强

2．2．2 水蒸气的吸收线型

2．3 TDLAS谐波检测理论

2．3．1 波长调制光谱(WMS)模型

2．3．2 锁相技术提取谐波信号

2．4 本章小结

第三章 TDLAS谐波法测水蒸气检测系统

3．1 TDLAS谐波法测水蒸气检测系统结构

3．2 系统中主要器件的选择

3．2．1 激光器的选择

3．2．2 探测器的选择

3．2．3 气室的选择

3．3 系统中主要电路设计

3．3．1 驱动模块设计

3．3．2 温控模块设计

3．3．3 锁相模块设计

3．3．4 滤波模块设计

3．4 本章小结

第四章 TDLAS谐波特性影响因素的研究

4．1 驱动信号对谐波特性的影响

4．1．1 谐波检测参量的选择

4．1．2 调制幅度对谐波幅值的影响

4．1．3 扫描范围对谐波幅值的影响

4．2 温控驱动对谐波特性的影响

4．3 参考信号与调制信号的相位差对谐波特性的影响

4．4 本章小结

第五章 TDLAS谐波法测水蒸气检测系统的标定研究

5．1 模拟吸收信号源对系统标定的研究

5．1．1 带吸收信号源的模拟

5．1．2 模拟吸收信号源的有效性验证

5．1．3 模拟吸收信号源对系统的标定研究

5．2 实际情况下对系统标定的研究

5．2．1 系统气源供应标定

5．2．1 系统线性度的标定

5．2．2 系统稳定性的标定

5．3 本章小结

第六章 全文总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间参与的工程项目和发表的论文