低功耗开放式天然气泄漏激光检测系统研究

摘要

本文基于可调谐二极管激光光谱技术，在以往技术的基础上，提出了一种在地形复杂、环境苛刻、供电紧缺的条件下的一种低功耗开放式天然气泄漏激光检测技术。采用嵌入式系统代替传统的工业控制计算机，采用卫星通讯的方式将现场处理信号进行上传处理。
　　本文首先介绍了可调谐半导体激光吸收光谱技术的原理，然后介绍了在可调谐半导体激光吸收光谱技术中常用的几种技术方法，比如:直接吸收技术，波长调制技术，自平衡探测技术。给出了以FPGA为控制芯片设计的锯齿波信号发生电路设计，并设计了激光检测系统中的滤波放大器的设计方案。
　　本课题基于中石化的科研课题“新粤浙煤制气天然气长输管道安全防护关键技术的研究”的设计要求，设计了一套太阳能供电系统，以便在地形复杂，供电紧缺的环境对系统进行供电。并设计了以Atmel SAMA5D3作为核心芯片的嵌入式系统，对FPGA采集上的数据进行数据处理，其中包括甲烷浓度的拟合以及浓度的反演，并进行显示，然后通过北斗卫星通讯将数据上传到中控室，以实时的对现场的泄漏情况进行监控。本文详细介绍了在嵌入式系统中对采集上的数据的浓度拟合算法的流程以及浓度的反演的流程，最后通过在实验室以及四川的普光气田对系统进行了性能的测试，其中包括系统的检测误差测试，系统的重复性测试。并均达到了设计的要求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 TDLAS气体探测技术国内外研究现状

1．3 论文研究内容及章节安排

2 可调谐半导体激光吸收光谱原理

2．1 激光吸收光谱介绍

2．2 可调谐半导体激光吸收光谱原理

3 系统总体设计方案

3．1 总体设计方案

3．2 光学系统的设计

3．3 光源与探测电路设计

4 激光调制与放大电路设计

4．1 基于FPGA的电路设计方案

4．2 调制信号发生电路

4．3 滤波放大电路设计

5 太阳能供电系统设计

5．1 系统设计方案

5．2 充电控制电路设计

5．2 充电控制电路设计

5．3 蓄电池充电模块设计

5．4 系统软件方案设计

6 系统数据处理算法研究

6．1 数据处理流程

6．2 浓度拟合算法研究

7 系统性能测试

7．1 检测误差

7．2 重复性检测

7．3 现场测试

8 结论

致谢

攻读硕士期间主要的研究成果

参考文献