光纤气体传感器时分复用系统的研究

论文摘要

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)谐波检测技术是在激光器与调制技术相结合的基础上发展起来的一种新型高灵敏检测方法,在气体检测领域得到了广泛的应用。在基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的多点气体监测系统中,由于所需的激光器造价昂贵,成本问题成为限制光纤气体吸收检测技术得到普遍应用的关键因素。而复用技术的研究可以使多路气室共用一套光源与光探测器进而降低单个测量点的造价,对于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)谐波检测技术的广泛应用具有积极的意义。通过对现有的光纤气体传感器时分复用系统的分析,本文对时分复用系统的传统拓扑结构进行改进,使到达探测器的各路信号经过相同长度的布局线和不同长度的延迟线,解决了现有拓扑结构中由于布局光纤对光信号的延迟而给信号采样带来的问题。同时对TDLAS谐波检测技术中锁相放大技术的数字化实现进行了分析,将数字正交锁相放大技术应用在时分复用检测系统中的谐波信号提取中,消除了相位对信号幅值检测的影响,解决了传统锁相提取方法中需要对每路参考信号进行手动移相来调整的问题。对一次谐波数据采样方法进行改进,采样一个调制三角波周期时间长度内的一次谐波信号,这样采样起始点可任意选取,解决了传统方式中需要设计同频方波参考信号并通过手动移相使方波边沿与特定采样起始点对齐的问题。同时,提出将采样周期内最大值与最小值的平均值作为采样信号均值的方法,节省系统资源,使多路数据并行处理成为可能。给出了一套数字化的基于TDLAS技术的时分复用甲烷气体检测方案,在matlab环境下搭建仿真系统,验证了理论方案的可行性。对理论方案进行实物化应用研究,搭建了一套基于FPGA的数字化正交锁相放大器硬件检测系统,利用混有噪声的标准余弦信号进行幅值提取实验,示值相对误差在2%以内。最后,针对吸收式时分复用气体检测应用的特点,对数字正交锁相放大器进行改进设计,使其能够应用在吸收式气体传感器一次谐波幅值信息的提取中。同时,通过时分复用关键信号处理模块的方式,大大减小了时分复用系统占用的FPGA内部资源,解决了多路数据处理时系统资源不够的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 各种光纤气体传感技术的比较
• 1.3 光纤气体传感器复用技术分类及原理
• 1.4 吸收型光纤气体传感器的发展现状
• 1.4.1 光谱吸收型光纤气体传感器的国外研究动态
• 1.4.2 光谱吸收型光纤气体传感器的国内研究动态
• 1.5 课题研究的意义和主要内容
• 第2章 光谱吸收型光纤气体传感器检测原理
• 2.1 光谱吸收式气体传感机理
• 2.1.1 气体分子的选择性原理
• 2.1.2 气体分子吸收谱线的选择
• 2.1.3 比尔—朗伯（Lambert-Beer）定律
• 2.2 吸收式气体传感器的信号检测技术
• 2.2.1 检测方法的比较
• 2.2.2 波长调制技术
• 2.3 波长调制技术气体检测方案
• 2.4 本章小结
• 第3章 光纤气体传感器时分复用系统设计
• 3.1 时分复用（TDM）原理
• 3.2 拓扑结构
• 3.2.1 拓扑结构及分析
• 3.2.2 改进拓扑结构
• 3.3 微弱信号提取方法的改进
• 3.3.1 锁相放大原理
• 3.3.2 数字正交锁相放大原理
• 3.3.3 数字正交锁相放大的应用
• 3.4 次谐波数据采样方法的改进
• 3.4.1 单路检测中一次谐波数据采样的方法
• 3.4.2 改进的一次谐波数据采样方法
• 3.4.3 一次谐波幅值平均值计算方法的改进
• 3.5 光纤传感器时分复用系统的设计与仿真
• 3.5.1 时分复用系统的设计
• 3.5.2 系统可行性仿真验证
• 3.5.3 时分复用系统参数的分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 数字化正交锁相放大器的设计
• 4.1 数字化正交锁相放大器系统结构
• 4.2 硬件电路设计
• 4.2.1 供电电路
• 4.2.2 滤波与放大电路
• 4.2.3 AD采集电路
• 4.2.4 FPGA最小系统设计
• 4.2.5 PCB电路板设计
• 4.3 FPGA内部模块设计
• 4.3.1 分频器设计
• 4.3.2 AD采样控制模块
• 4.3.3 参考信号发生模块
• 4.3.4 数据缓存模块
• 4.3.5 数字低通滤波器
• 4.3.6 幅值计算模块
• 4.4 本章小结
• 第5章 数字正交锁相放大器实验与分析
• 5.1 微弱信号检测实验
• 5.2 实验数据处理分析
• 5.3 系统影响因索分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 时分复用系统中正交锁相放大器的应用设计
• 6.1 4路时分复用数字化解调系统
• 6.2 适应一次谐波幅值计算设计
• 6.2.1 一次谐波余弦分量计算处理
• 6.2.2 对输出量延时控制
• 6.3 数字化的多路解调处理结构
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢
• 附录