基于FPI的多组分气体测量系统的研究

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爆炸产生的气体、汽车尾气、高压绝缘气体SF6及其分解产物的泄漏以及制冷剂泄漏等有毒有害气体,不仅威胁着人们的生产与生活,还给大气环境带来危害,为了将气体泄漏造成的危害降到最低,急需研究一种多组分气体测量仪器对事故现场的危险气体进行监测。法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer,FPI)可以通过改变两干涉镜面间间距的方式,使不同波长的红外光发生干涉,通过对干涉光谱的探测分析,可以得到红外光的衰减信息。将气体的红外吸收原理与FPI的干涉特性相结合,本文将FPI应用于多组分气体测量。为了研究FPI在气体测量方面的性能,首先深入研究了气体吸收原理与FPI干涉原理,并提出了FPI测量系统的浓度拟合算法。其次在光路结构、系统硬件和软件方面对系统进行了设计,选择合适的光源及FPI探测器,设计了具有消光螺纹的镀金气室,完成了具有高通光量的光路结构设计;完成了电源供电电路、无共态导通的光源驱动电路、可调电压升压电路、四阶巴特沃兹低通滤波器以及通讯模块和主控芯片的选型,保证系统硬件的稳定运行和数据的有效传输;设计了基于labview的具有两种工作模式的数据采集与处理的软件测试平台,其中宽波段扫频模式实现在8000 nm到10500 nm探测范围内对多组分气体的探测分析,单波长定频模式对单一中心波长进行设置,实现单一气体测量。最后利用测量得到的梯度吸收率数据,对传感器的浓度模型进行参数寻优,得到拟合确定系数R2在0.998以上的浓度参数,并以制冷剂气体的检测作为实验对象,对系统的性能进行了评估,其中示值误差不大于±6%,重复性小于2.5%,长期稳定性在3.6%以下。实验结果证明基于FPI的多组分气体测量系统具有较高的稳定性,可以实现对多种制冷剂气体的有效测量。该系统可以通过控制电压改变FPI干涉镜面间的距离,有选择性的通过不同波长的光,实现在探测器探测范围内的多组分气体测量,克服了以往气体传感器选择性单一的难题。且该系统可以扩展到气体吸收峰在FPI探测器探测范围内的其它气体测量领域。
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