基于TDLAS的光源驱动及信号检测技术研究

摘要

当前空气污染问题受到了人们的空前关注，人们迫切需要寻求高性能的气体检测手段对污染气体进行高精度高稳定性检测。其中，可调谐激光吸收光谱技术（TDLAS)由于探测灵敏度高、探测范围广、响应时间短，很适合对较大范围的场地进行实时监测，并且可以避免光谱交叉干扰的影响等优点在气体检测领域受到了青睐。
　　本文首先选择了以TDLAS技术为核心并结合波长调制谐波检测技术的气体检测的方案。从吸收光谱学原理入手，介绍了气体吸收谱线的特征，并对本课题所需要测量的甲烷气体的吸收谱线进行了选择；然后着重分析了可调谐二极管激光吸收光谱学技术的原理，介绍了本系统中对甲烷气体进行探测的实现方案。
　　其次，选择了DFB激光器作为系统光源，设计了系统光源的驱动模块，包括电流源模块和温度控制模块。其中，电流源模块采用压控恒流源方案，并结合负反馈原理和PID算法实现对驱动电流的稳定控制；对电流源模块进行了硬件设计，制作了电流源模块的电路板，还进行了电流源模块的软件控制设计。选择了专业的温控芯片LTC1923来实现对激光器的温度控制，并以LTC1923芯片为核心设计了温控模块的硬件电路；并对温控模块进行了软件控制设计。
　　再次，在信号检测部分选用了高性能的InGaAs光电探测器对光信号进行光电转换，设计了相应电路对信号进行处理。其中，前置放大电路对微弱电流信号进行放大，滤波电路用以对信号进行去噪处理，结合相关检测原理设计了以AD630芯片为核心的锁相放大器，用以提取待测气体的二次谐波信号。
　　最后，对所设计的光源驱动模块的性能进行了测试，分析了驱动电流和工作温度对激光器的输出特性的影响；对所设计的光电放大模块和锁相放大器进行了测试。并对这些模块的性能缺陷做了分析，提出了改进措施。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 气体监测的研究现状

1.3 可调谐激光吸收光谱技术的特点及应用

1.4 TDLAS气体监测研究现状及发展趋势

1.5 本论文的主要研究内容

第二章 TDLAS气体检测原理及方案

2.1 吸收光谱学原理

2.2 Beer-Lambert定律

2.3 谱线强度

2.4 气体分子吸收谱线线型和展宽

2.5 气体吸收谱线的选择

2.6 可调谐二极管激光吸收光谱技术的原理

2.7 TDLAS气体检测系统方案

2.8 本章小结

第三章 系统光源的电流源设计

3.1 系统光源的选择

3.2 系统光源驱动的整体设计

3.3 电流源设计方案

3.4 电流源硬件电路设计

3.5 电流驱动保护设计

3.6 电流源PCB设计

3.7 电流源软件设计

3.8 本章小结

第四章 光源温控设计

4.1 温度控制原理

4.2 温度控制芯片LTC1923

4.4 温控模块硬件设计

4.5 温控模块软件设计

4.6 本章小结

第五章 系统信号检测技术研究

5.1 光电探测器

5.2 光电前置放大设计

5.3 滤波处理设计

5.4 二次谐波信号的提取

5.5 本章小结

第六章 实验测试和分析

6.1 激光器驱动模块稳定性分析

6.2 驱动模块实验分析

6.3 DFB激光器输出测试

6.4 前置放大测试

6.5锁相放大器测试

6.6 误差分析

6.7 本章小结

第七章 总 结

7.1 本文的主要工作

7.2 本课题的后续研究

致谢

参考文献