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TDLAS气体检测中二次谐波的锁相放大器的研究

曹天书  
【摘要】:近年来,随着工业快速发展,气体污染现状日益严重,成为亟待解决环境问题之一,对有害气体的检测也收到越来越多的关注。可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)技术具有选择性好、灵敏度高、分辨率高以及无接触测量等优点,成为能够在线分析、快速痕量气体的有效方法之一。在TDLAS气体检测中需要运用锁相放大器对与气体浓度相关的二次谐波信号进行提取。 本文针对TDLAS气体检测设计了一款锁相放大器用来提取二次谐波信号。首先深入介绍了基于TDLAS技术气体检测的相关原理,包括:红外光谱吸收原理,TDLAS技术原理,谐波检测原理以及相敏检波原理。根据以上原理,利用MATLAB进行数学建模,从理论上提取一次谐波和二次谐波信号,并且证明气体浓度与二次谐波信号幅值的关系。通过理论指导实践,分析信号特征,构建电路设计方案。针对TDLAS气体检测系统设计的锁相放大器电路主要包括:差分输入电路,锁相倍频电路,移相电路,相敏检波电路(乘法电路),低通滤波电路,同相放大电路,峰值检波电路,A/D转换电路以及LCD显示电路。实验分为模拟实验与气体实验。模拟实验:我们对MATLAB仿真出的波形进行采样,用ARM7微处理器模拟发出气体吸收波形作为输入信号,用锁相放大器提取一次谐波与二次谐波信号。气体实验:我们搭建了TDLAS气体检测平台,以甲烷为例配置不同浓度的气体,采用双探测器的方法进行气体实验,以探测器的差分信号作为输入信号,观察并提取了气体浓度分别为0%,10%,20%的二次谐波信号。通过实验验证设计的锁相放大器的电路功能和方案,表明二次谐波检测的可行性和正确性。


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