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近红外VCSEL型TDLAS氨气检测系统的研制

鹿洪飞  
【摘要】:氨气(NH_3)是一种具有腐蚀性的有毒有害的工业气体,对皮肤组织有腐蚀和刺激作用。其对于大气质量、环境安全、人体健康等有着极大的危害,因此高精度的实时监测NH_3浓度对于维护环境质量、生存环境改善等有着巨大的推进作用,在对大气环境质量的准确预报、环境灾害的准确预警、工业的安全生产和减少燃爆事故的发生等方面具有重要的科学意义和社会意义。目前,TDLAS激光气体检测技术的研究与开发普遍采用DFB激光作为检测光源。该技术方案相对功耗较高且体积较大,这将TDLAS检测技术的应用限制在对功率不敏感的场合中。效率高、功率低、体积小是VCSEL型激光器的特点,针对功率敏感的应用,VCSEL激光器可以有效地改善TDLAS检测技术整个系统的功耗和体积问题。本论文在基金委国家重大科研仪器研制项目—“采用VCSEL核心激光光源的微型化普适型TDLAS气体检测系列模块的研制”(No.61727822)的支持下,深入分析VCSEL激光器作为核心光源的TDLAS检测技术,推导了检测过程中检测信号的变化过程,为NH_3检测系统的研制提供了理论依据。根据TDLAS气体浓度检测理论,结合HITRAN数据库和VCSEL激光器的发光特性,在近红外波段1512 nm处选定了NH_3的吸收谱线。针对单光路检测系统中由激光光源波动所带来的干扰问题,提出了时分复用差分调制技术,可进一步消除单光路检测系统中激光器光强波动产生的干扰。本论文根据TDLAS气体浓度检测理论和VCSEL型激光器的发光特性,对NH_3检测过程进行了软件仿真。选取了适用于本系统的VCSEL激光器,研制了小电流驱动电路,结合光电探测器及锁相放大器完成了检测系统整体设计与实验平台的搭建,研制出一款近红外VCSEL型TDLAS氨气检测系统。本论文采用所研制的检测系统进行了NH_3气体浓度检测测试,根据锁相放大器提取的二次谐波数据,对该系统的各项性能指标进行了分析,得出结论。


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