基于可调谐半导体激光吸收谱技术的甲烷浓度检测

摘要

随着我国科技进步与社会发展，我国对能源的消耗越来越大。天然气和煤炭在我国能源消耗结构中占据主要成分，为我国的经济发展起着巨大的作用。然而由煤矿中瓦斯气体和天然气运输管中天然气的泄漏引起的事故对相关人员的生命和财产安全造成了重大的威胁。瓦斯气体和天然气的主要成分均为甲烷，因此能够进行快速在线检测甲烷气体浓度是非常有意义的。以可调谐半导体激光吸收谱技术（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy：TDLAS）为基础的气体检测方法因其结构简单、响应速度快等特点，成为比较受欢迎的甲烷浓度检测方法。近年来，随着TDLAS技术的发展，气体检测研究方向逐渐从实验室的气体池内浓度检测向开放场的在线气体检测方向发展。本论文在气体池的基础上搭建了模拟开放场的甲烷浓度检测系统，展开了与实验相关的仿真与实验测试。主要内容如下：
　　（1）搭建了甲烷浓度检测系统，研究了甲烷浓度检测方案，并对系统的噪声进行了详细分析。
　　（2）基于TracePro软件开展了检测系统光路的仿真并分析了系统的光路传输特性；基于Fluent软件开展了甲烷气体在空气中的扩散研究，研究了不同的风速对甲烷气体的速度和浓度的分布状态的影响；基于Simulink软件开展了本系统的建模与谐波信号仿真，研究了从调谐信号产生到锁相放大器谐波信号产生的整个过程，分析了各个调制参数对谐波信号的影响，基于锁相放大器的原理进行了该模块设计。最后对比了基于Simulink的锁相放大器和实物SR830锁相放大器对光电探测器输出的直接吸收信号处理的谐波信号，验证了开发的锁相放大器的准确性。
　　（3）开展了TDLAS甲烷浓度检测系统基础性测量以及调制参数对谐波信号的影响测试；完成了漫反射材料的反射角度、反射距离、材料类型等不同属性对二次谐波信号（简称：2f）和二次谐波信号比一次谐波信号（简称：2f/1f）影响的测量。基于2f/1f信号相比传统的基于2f信号的气体浓度检测方法的在开放场中具有很大的优势。完成了不同浓度的甲烷气体与信号幅度的拟合，得出本系统的最低检测限为27ppm?m。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及发展现状

1.2 基于激光吸收谱的甲烷遥测技术的国内外研究现状

1.3 论文内容安排

第二章 TDLAS检测系统的理论及设计

2.1 光谱学的基础原理

2.2 本系统的检测方法

2.3 TDLAS检测系统的设计

2.4 系统噪声分析

2.5 本章小结

第三章 TDLAS系统的仿真

3.1 基于TracePro的光路系统仿真

3.2 基于FLUENT软件的天然气泄漏流场仿真

3.3 基于SIMULINK的系统设计与仿真

3.4 本章小结

第四章 TDLAS系统的测试与实验分析

4.1 TDLAS系统的基础测试

4.2 系统实验测量

4.3 甲烷气体浓度的实验及数据处理

4.4 本章小结

第五章总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献