摘 要

可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS)技术，利用此技术能够对污染气体进行检测，原因在于二极管激光器具有波长调谐的性质，利用此性质能够在一定的吸收光谱范围内得到所测气体的独有的吸收光谱，从而不仅能确定气体性质还能测出气体浓度。这种方法目前已成为检测气体浓度的最佳方法之一，原因在于这种技术具有很高的灵敏度、高选择性，并且能够快速响应和在线测量等优点。

本文研究的内容是基于TDLAS技术的多组分多通道气体浓度检测系统。在对工业燃烧过程检测、气体泄漏安全监测、采空区自燃监测等应用中，希望能同时检测多种气体的浓度，然而TDLAS技术一般只存在对单一气体的单一装置测量，造成检测成本的大幅提升。本文拟搭建一个多组分多通道气体浓度检测系统，可实现甲烷和乙炔的同时检测，共用气体传感探头及光电探测器，同时使用空分复用技术复用了4个传感探头，从而达到降低系统成本的目的。

关键字：TDLAS；多组分；多通道；气体浓度；信号采集；

Abstract

Tunable diode laser absorption spectroscopy (of TDLAS) techniques, the use of this technique can detect the gas contamination, due to the nature of the diode laser has a wavelength tuning, the use of this nature can be obtained in a gas to be measured within a certain range of the absorption spectrum unique absorption spectrum, thereby not only be able to determine the nature of the gas can be measured gas concentration. This method has become one of the best ways to detect gas concentration because this technique has a high sensitivity, high selectivity, and the ability to respond quickly and on-line measurement and so on.

Contents of this paper is based on the technology of multi-component TDLAS multi-channel gas concentration detection system. In industrial combustion processes detection, gas leak safety monitoring, Gob monitoring applications it is desirable to simultaneously detect the concentration of a variety of gases, but there is only one general TDLAS technical means to measure a single gas, resulting in substantial testing costs promotion. This article intends to build a multi-component multi-channel gas concentration detection system, enabling simultaneous detection of methane and acetylene, common gas sensing probe and a photodetector, using space division multiplexing multiplexing four sensing probe, thereby to reduce system costs.

Keywords: TDLAS, multi-component , multi-channel , Gas concentration, signal acquisition

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 可调谐二极管激光吸收光谱技术 1

1.4 本课题的主要研究内容 2

第2章 TDLAS检测系统原理 3

2.1 气体分子光谱理论 3

2.1.1 分子光谱和红外光谱介绍 3

2.1.2 激光光谱介绍 4

2.1.3 气体分子能级结构理论 4

2.2 光谱吸收原理与气体吸收线型 4

2.3 TDLAS技术 5

2.3.1 TDLAS系统组成及原理 5

2.3.2 TLDAS系统调制信号处理原理 6

2.3.3 TLDAS中二次谐波检测原理 7

2.3.4 TDLAS系统中倍频放大原理 8

2.3.5 TDLAS系统中锁相放大器原理 9

2.4 空分复用技术 9

2.5 本章小结 10

第3章 多组分气体检测电路设计 11

3.1 STM32构成CPU电路 11

3.2 光源驱动及恒温电路 13

3.3 调制信号电路 14

3.4 PD开关驱动电路 15

3.5 光电转换电路 16

3.6 模拟复用及前置放大电路 16

3.7 锁相放大电路 17

3.8 ADC模数转换电路 17

3.9 实验结果分析 18

3.9.1 分时扫描信号分析 18

3.9.2 调制波形分析 19

3.9.3 多路检测噪声分析 20

3.9.4 高低浓度检测结果分析 20

第4章 总结和展望 23

4.1 论文工作总结 23

4.2 研究展望 23

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义

随着时代的发展，工业化的程度越来越高。气体浓度的检测在工业化，农业化以及日常生活中的作用越来越重要。

工业化中，工业环境中的无论是煤矿中二氧化硫检测，还是瓦斯气体的检测；以及其他的有害气体和故障气体的检测都是至关重要的，对于人身安全和财产安全都极为重要。

农业化中，蔬菜大棚中二氧化碳的检测，畜牧场中的氨气检测等，都是对于农业化生产极为重要的方面。

日常生活中，对空气中二氧化硫等有毒气体的检测都是环境检测中极为重要的一环。而且，室内甲醛等有毒气体的检测是对家人人身安全的保证。

因此，气体浓度的检测技术的发展对于人们日常生活，工业发展，农业发展以及大气污染检测等方面都具有重要的意义^[1]。而随着环境的破坏程度日益严重，工业化和农业化程度越来越复杂，以往的气体浓度检测方法已经不能满足要求。而本次研究的目的就是针对这种情况，研究一种更为灵敏，快速，安全，可靠的气体浓度探测方法。

1.2 国内外研究现状

气体探测以保证安全这种行为可以追溯至最早的动物探测方式。用鸡或者鸟放入需要探测的区域，一定时间之后通过动物的生存状态来探测气体安全。而在国内，上世纪50年代开始就有气体探测方面的研究，这和国际上顶尖国家的研究时间并没有很大的差距。

从上个世纪20年代开始，催化燃烧气体传感器探测是最早的气体探测装置和方法，后来发展到50年代的电化学传感器探测。然后一步步的发展到如今的智能化检测系统。

现如今的气体探测技术已经改变了传统气体检测系统中灵敏度不高，检测不准确等缺点，出现了差分光学吸收光谱技术（DOAS）、傅里叶变换光谱技术（FTIR）、差分吸收激光雷达技术（DIAL）、可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)等新型的气体浓度检测方法。而其中，基于TDLAS（可调谐半导体激光吸收光谱技术）的气体检测技术发展日益迅速。可调谐半导体激光器窄线宽和波长调谐的特性实现气体分子吸收谱线的测量，具有灵敏度高、检测快速、不受背景气体干扰等优点^[2]，已经在环境及工业过程检测等领域表现出广泛的应用前景。

而在目前的研究过程中，基于TDLAS技术的集体检测技术一般只存在对单一气体的单一装置测量，无法达到多组分气体的多通道检测的要求。而在对工业燃烧过程检测、气体泄漏安全监测、采空区自燃监测等应用中，希望能同时检测多种气体的浓度，限制性比较大，实用性较低。

1.3 可调谐二极管激光吸收光谱技术

可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)是由Hinkley和Reid提出的的一种基于二极管激光器和红外吸收光谱的检测方法。这种气体检测方法是最近被大面积应用的检测方法，这种方法现在己经发展成为灵敏度极高，并且能应用在普通大气检测中的检测方法。随着现代科学技术的快速发展，二极管激光器也大面积的走进市场，现在的二极管激光器已经比之前的激光器占用更小的空间，寿命更长，效率更高，而近红外二极管激光器就是其中的代表。所具有的这些优点也让红外激光成为环境气体分子检测中被经常使用的光源^[3]。

纵观过去到现在，可调谐红外激光光谱学发展已经趋于成熟，广泛应用于空气质量检测以及环境气体分析。主要是由于：它们的探测灵敏度高，在空气质量检测时能很好的达到目的；并且，通过不同分子的分子吸收光谱具有其独特而且明显的特征，能够很好的辨认其独特光谱，不仅如此通过二极管激光的可调谐性，然后在通过参考池的对比，我们就能够对我们想测量气体分子的光谱线的吸收情况进行分析。然后进行进一步的分析和研究，通过已有的参考来进行演绎，就能够检测出待测气体的浓度，并且能够把想要测量的气体分子与已有的参考气体相对比分离，就能够顺利的从多种不同气体中检测出特定的气体分子，并能够消除不同气体分子光谱的干扰；再者，由于这种技术能够探测的范围比较广，而且响应速度很快，从而能进行气体的现场检测。 总而言之，以上的这些优点，都促进可调谐二极管激光吸收光谱技术成为现在最炙手可热的气体检测技术。

1.4 本课题的主要研究内容

由于一般的TDLAS气体检测只是单组分单通道的，不能适应现如今的气体检测环境。本课题拟搭建一个基于TDLAS多组分多通道气体浓度检测系统，可实现甲烷和乙炔的同时检测。

基于可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)的多组分多通道气体检测系统所要达到的目的是能够在存在很多种的不同气体中对气体成分进行分析和研究，在这种情况下如果大面积的使用探测器会极大的提高成本，从而这个系统将共用多个探测器。此系统中将共用气体传感探头及光电探测器，同时为了降低系统成本，将使用空分复用技术复用4个传感探头。让同一个频段在不同的空间内得到重复利用，称之为空分复用^[4]。

第一章绪论，首先介绍了气体检测的研究目的及意义，阐述了现如今国内外气体检测的一些方法，然后介绍了可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)发展及应用特点；第二章详细介绍了可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)，包括可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)的基本原理、基本电路和组成部分；并且介绍了如何实现多组分多通道测量。第三章介绍了可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)的硬件设计和信号采集方法，并进行试验和实验结果进行了分析；第四章进行总结，分析了TDLAS的应用前景和自身不足。

第2章 TDLAS检测系统原理

2.1 气体分子光谱理论

红外吸收光谱的产生，是发生在红外光谱区的阶跃现象。当分子受到频率连续改变的红外光照射时，分子会汲取一些特定频率下光散发的能量，但是这些能量又不足以使分子中的电子能级发生阶跃，只是会让其振动或者转动，而所产生的分子振动和转动将改变其能量组成，从而造成其分子能级状态的改变，并且会使得红外光谱在某些特定频率上有所衰弱，这样就形成了红外吸收光谱。

实际上，在红外光谱区，我们测量得到的光谱图是一种加和的表现，由于分子转动和振动的同时存在，并且考虑到气体分子的自身空间构成的特殊性和彼此不同性，不同气体的吸收光谱也会因为空间构成的差异而表现出相对应的特殊性，所以在我们得到一种在规定条件下波长光的吸收情况时，就可以通过这种特殊性和差异性来确定所测气体，并且能够测出它们的含量。

2.1.1 分子光谱和红外光谱介绍

我们知道，光作用于分子，分子会对光进行吸收，或者发射，或者散射，这些都由于光和分子之间的相互作用。而分子光谱，就是由于分子对光的这些作用所产生的。而分子光谱的特殊性，也使其广泛应用于气体分子检测，分子空间构成确定等多个方面，这种特殊性也是进行研究时必须考虑的根本所在。

进行红外光谱图的绘制时，水平方向通常为波的长度或者波的数目，而垂直方向通常为光的强度或者能够影响到波长性质的属性，光谱图是红外线和物质之间彼此影响的结果，并以图表的形式直观的体现。