论文总字数：21017字

摘 要

随着当今社会工业化脚步的不断向前，燃煤等资源的消耗越来越大。随之而来各种污染问题也越来越严重，给地球生物的生存都带来了威胁。工业生产排放的气体包含了氮氧化物(NOx)等污染物。所以，限制氮氧化物的扩散对于治理污染至关重要，而如何有效的测量氮氧化物气体的浓度则是治理的关键一步。

本课题是研究基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)的氮氧化物浓度测量的系统设计。本文主要概述了TDLAS原理，并详细阐述了本课题的硬件电路以及软件运行时的流程图。其中，硬件电路包括了信号产生、信号探测以及信号处理部分。信号发生部分运行时，由温控元件维持住激光器的周围温度。再通过正弦信号发生电路与压控恒流电路等输出调制信号去驱动激光二极管。信号探测部分主要是由光电半导体收集到经由吸光介质吸收后的信号。再由前置放大与锁相放大获取包含气体浓度信息的二次谐波，然后对生成的二次谐波进行AD转换。最终数据处理部分的主控芯片根据转换后的信号推算出检测气体浓度值。

关键词：TDLAS 氮氧化物 浓度检测

Design of Nitrogen Oxide Concentration Measurement

System Based on TDLAS

Abstract

With the pace of industrialization of today's society continue to move forward, coal and other resources consumption is growing. Followed by a variety of pollution problems are more and more serious, to the survival of the earth creatures have brought a threat. The gas emitted by industrial production contains pollutants such as nitrogen oxides (NOx). Therefore, limiting the diffusion of nitrogen oxides is critical to the treatment of pollution, and how to effectively measure the concentration of nitrogen oxides is a key step in governance.

This topic is to study the system design of nitrogen oxide concentration measurement based on tunable semiconductor laser absorption spectroscopy (TDLAS). This paper mainly introduces the principle of TDLAS, and elaborates the hardware circuit and the software flow chart of the software. Among them, the hardware circuit includes the signal generation, signal detection and signal processing part. When the signal generation part is running, the ambient temperature of the laser is maintained by the temperature control element. And then through the sinusoidal signal generation and voltage control constant current circuit output signal to drive the laser diode. The signal detection section is mainly collected by the photoelectric semiconductor to absorb the signal via the light absorbing medium. And then by the pre-amplification and lock-in amplification to obtain the second harmonic containing the gas concentration information, and then generate the second harmonic AD conversion. The final data processing part of the master chip based on the converted signal to calculate the detection gas concentration value.

Keywords: TDLAS Nitrogen oxides Concentration detection

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2 TDLAS技术介绍 1

1.3现状及发展趋势 2

1.4课题主要研究内容 3

第二章 系统浓度测量理论 4

2.1 TDLAS测量原理 4

2.2 TDLAS测量方法 5

2.3 波长调制技术 5

2.4二氧化氮吸收波长的选择 6

2.5 本章小结 7

第三章 TDLAS型气体检测系统硬件电路设计 8

3.1系统总体设计 8

3.2激光器的选择 9

3.3激光驱动电路设计 10

3.3.1锯齿波产生电路 11

3.3.2正弦波产生电路 11

3.3.3 信号叠加电路 13

3.3.4 压控恒流源电路 14

3.3.5 温度控制电路 15

3.4信号检测电路设计 16

3.4.1 光电探测及前置放大电路 16

3.4.2 带通滤波电路 17

3.4.3 锁相放大电路 18

3.4.4 数据采集电路 19

3.5主控及信号处理终端 20

3.5.1 微处理器的选择 20

3.5.2 电源电路 21

3.5.3 复位电路 22

3.5.4 LCD液晶显示电路 23

3.5.5 时钟电路 24

3.5.6 报警电路 24

3.6本章小结 25

第四章 TDLAS型气体检测系统驱动程序设计 26

4.1 软件设计规范 26

4.2 系统主程序设计 26

4.3 数据处理算法的选择 28

4.4 本章小结 28

结语 29

参考文献 30

致谢 32

附录1基于TDLAS的氮氧化物浓度检测系统的硬件原理图 33

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

随着当今社会工业化脚步的不断向前，燃煤等资源的消耗越来越大。随之而来各种污染问题也越来越严重，给地球生物的生存都带来了威胁。在工业生产中，燃煤等能源消耗排放了很多污染烟气。烟气中包括了氮氧化物(NOx)这一类对环境的破坏尤其巨大的气体^[1]。所以，如何限制氮氧化物的扩散对于治理环境污染至关重要。

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