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基于离轴积分腔的红外一氧化碳传感系统研究

摘要

一氧化碳(CO)常出现在煤矿开采、煤炭取暖过程的不完全燃烧和运输气

体管道中,由于CO具有剧毒的特性,超过一定浓度的CO会使人昏厥甚至失去

生命。所以为了能及时检测CO,本文利用离轴积分腔输出光谱技术,基于红外

气体吸收光谱原理,使用DFB激光器结合光学谐振腔,研制了基于离轴积分腔

的红外CO气体传感系统。使用冷凝除湿器和除尘器对气体进行预处理,设计了

温控电路对气室进行控温,研究了系统的抗干扰性,进行了CO气体实验,探究

了系统的稳定性。

本文首先介绍了几种常用的红外吸收光谱气体检测技术,阐述了不同技术的

优缺点,介绍了离轴积分腔输出光谱技术的国内外研究进展。介绍了红外吸收光

谱的基础理论,包括分子光谱理论和朗伯比尔定律。讨论了吸收光谱的原理以及

常用的吸收谱线线型,并详细阐述了离轴积分腔输出光谱技术。

然后依据离轴积分腔输出光谱技术及红外吸收光谱原理,设计了离轴积分腔

红外传感系统。使用中心波长为1563nm的DFB激光器作为光源,将两片反射

率达99.97%的反射镜安装在设计的谐振腔中构成封闭气室,使用近红外光电二

极管接收光信号,设计了前置放大器,主放大器、滤波电路等,使用数据采集卡

对模拟信号进行采集,并通过上位机LabVIEW进行显示和控制,从而构成了完

整的传感系统,并对传感系统性能进行了测试。

为了保证气体检测系统的稳定性和可靠性,从实际环境要求出发,设计了一

套气体处理系统。系统主要分为防尘除湿模块和温控电路两部分,使用冷凝器对

气体除湿和除尘器进行除尘,设计了采温电路获取谐振腔内的温度,使用PID算

法控制加热带的功率将谐振腔内的温度稳定在设定值,设计了开关控制电路对各

模块供电进行控制,使用了通信模块与上位机进行通信,并对除湿和温控性能进

行了测试。

对系统进行了集成并进行了CO实验,首先通过红光激光器对光路准直,然

后用中心波长为1653nm的DFB激光器进行了CO实验。通过配气系统对不同

浓度的吸收信号幅值进行了标定,并测试了系统长时间工作的稳定性,探究了系

统的检测下限,讨论了Kalman滤波对系统性能的影响,并测试了系统的响应时

间。

最后对工作进行了总结与展望,总结了系统的设计过程和创新点,对系统的

不足之处提出了改进的思路,为下一步研制高灵敏度的红外气体检测仪奠定了基

础。

关键词:

离轴积分腔输出光谱,气体检测,温度控制,一氧化碳,近红外,Kalman滤

Researchofinfraredcarbonmonoxidesensingsystembased

onoff-axisintegratedcavityoutputspectroscopy

Abstract

Carbonmonoxide(CO)oftenappearsinincompletecombustionand

transportationgaspipelinesduringcoalminingandcoalheating.Duetoitshighlytoxic

characteristics,COaboveacertainconcentrationcancausepeopletofaintandeven

losetheirlives.Therefore,inordertodetectCOintime,thispaperusesoff-axis

integratingcavityoutputspectroscopytechnology,basedontheprincipleofinfrared

gasabsorptionspectroscopy,usingDFBlaserscombinedwithopticalresonators,and

developinganinfraredCOgassensingsystembasedonoff-axisintegrating

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