基于TDLAS的数字信号处理与研究-检测技术与自动化装置专业论文.docxVIP

摘 要 在我国的煤矿采集活动中，经常由于瓦斯爆炸造成人员伤亡和财产的损失， 因此对于甲烷浓度的在线准确测量具有重大的意义。可调谐二极管激光光谱吸收 技术通过对检测气室透射光强或反射光强的变化来检测气体的浓度，具有灵敏度 高、高稳定性、选择性好等优点，近年来在气体检测领域中得到广泛应用。 首先，以比尔-朗伯定律为理论基础，根据 HITRAN 数据库，选择红外甲烷 2v3 带 R3 支的三条吸收谱线作为研究对象。研究波长调制和谐波检测理论，利用傅里 叶级数和泰勒级数对洛伦兹线型的谱线进行了强度-频率调制模型进行展开，分析 了各次谐波信号，并给出了非线性强度调制下的谐波表达式，并得出谐波信号基 线偏移的原因。 其次，分析了 TDLAS 系统的噪声来源及其噪声特性，重点讲解了小波阈值去 噪对带有噪声的谐波信号的处理应用，对 Mallat 算法的原理、分解层数、阈值函 数选取和阈值的选取进行详细分析，并利用双曲函数设计了一个阈值函数，与传 统的软硬阈值函数相比都有较好的效果提升。分析和对比了几种浓度反演的方案， 提出了结合最小二乘法和 I2 f I1 f 的方法用于浓度反演方法，并讨论了光源波长漂 移、频率调制幅度和波长扫描范围对检测方案的影响。经过消噪后系统的检测精 度提高了 3 倍。 再次，研究了温度变化对气体吸收谱线参数(线强度、谱线宽度、气体分子密 度和气体吸收系数)以及气体浓度测量产生的影响。讨论了三种温度校准方案的优 缺点，利用温度校准方案减小气体温度变化所带来的测量误差，并且结合气室结 构的设计来提取温度压力参数来提高系统的检测精度和稳定性，使得检测浓度的 温度漂移减小 25 倍，达到 2ppm/℃。 最后，利用 Matlab 的 Simulink 仿真工具对 TDLAS 气体检测模型进行了建模 和仿真，根据实验室的激光器和光电探测器的工作参数分别建立了光源模块、气 室模块、数据检测和信号处理模块，并对整个系统模型进行了测试和分析，验证 了经过小波去噪和温度修正后，使得系统的性能得到很大的提高，并且最后介绍 了对 TDLAS 系统的软件数据处理界面进行了设计与编写，详细介绍了各个功能模 块。 关键字：TDLAS，小波去噪，温度校准，建模仿真 ABSTRACT Casualties and property which is caused by CH4 gas explision is offen happend in our country’s coal mine acquisition activity, so it’s important to measure the concentration of CH4 accurately. The technology of tunable diode laser absorption spectroscopy detects the gas concentration by measuring the intensity changes of reflected light or transmitted light . TDLAS has been widely used in the field of the gas concentration detection and it has the advantages of high-sensitivity, high-stability and good-selectivity. First of all, according to Beer-Lambert law and the database of HITRAN, three methane absorption lines in the R3 transitions of 2v3 band are chosen to investigate. Wavelength modulation spectroscopy theory and harmonic detection theory are then studied, and the intensity-frequency modulation signal which is based on Lorentz lineshape, is analyzed based on the Fourier series expansion and Taylor series expansion. The expression of non-linear modulation model are given and analyzed the cause of the harmonic signal bas