【摘 要】
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痕量气体浓度检测技术在电力、天然气输送和工业矿区等环境中具有非常重要的安全预警作用。基于光声效应的光声光谱（PAS）检测技术因其具有气体选择性好、测量精度高、响应速度快和抗干扰能力强等优势,正逐步取代传统的非光谱法测量手段,但是目前它也存在气体传感组分单一的问题,实现多组分气体传感大多仍需要采用“多传感器多组分检测”的模式,极大地限制了使用场景。因此研究一种检测组分多、适用范围广、检出稳定性高的光
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痕量气体浓度检测技术在电力、天然气输送和工业矿区等环境中具有非常重要的安全预警作用。基于光声效应的光声光谱（PAS）检测技术因其具有气体选择性好、测量精度高、响应速度快和抗干扰能力强等优势,正逐步取代传统的非光谱法测量手段,但是目前它也存在气体传感组分单一的问题,实现多组分气体传感大多仍需要采用“多传感器多组分检测”的模式,极大地限制了使用场景。因此研究一种检测组分多、适用范围广、检出稳定性高的光纤气体传感器具有非常大的社会、经济价值和良好的应用前景。本文基于共振光声池和宽带微音器的特点提出了多气体浓度光声光谱检测方案,利用频分复用和时分复用技术（FDM-TDM）实现多气体浓度检测,既节约了硬件资源又提高了系统检出速度和检测效率。文中介绍了光声光谱技术中的光声效应、波长调制和谐波检测等核心理论,分析了光声光谱技术中现有的多气体传感实现方法及不足之处,通过NI-my DAQ搭建了基于频分和时分复用技术的多组分气体浓度传感系统,并使用Labview设计了多组分痕量气体光纤传感系统的上位机及用户操作界面。研究中通过Labview虚拟仪器和NI-my DAQ可编程测量设备设计了一种全新的激光驱动,解决了ARM产生的双路“锯齿波-延时”信号驱动激光器后在耦合光路时出现的信号重叠问题。根据光声池响应带宽,通过双频锁相影响解调实验确立了调制隔离带宽,降低了混频光声信号分频解调时的相互影响。同时通过Labview的Savitzky-Golay滤波器,实时地对数据流进行平滑滤波,进一步降低系统随机噪声。实验中选择二氧化碳、甲烷、乙炔和水汽4种气体作为样本气体,对系统性能进行了测试。在152Torr,23℃环境中实现了4种气体浓度的光声信号检测,得出4种气体浓度的线性拟合度以及最小检出极限分别为:二氧化碳:0.98821,343ppm;甲烷:0.99328,82ppm;乙炔:0.98921,6.3ppm和水汽0.9979,2.4ppm。此外,对甲烷连续1小时的检出测试表明系统检测的实时性好、稳定性高。通过Origin拟合标定的气体浓度与对应二次谐波幅值的线性关系,在Labview中实现了4种气体浓度的反演和在线显示,上位机具备信息存储、阈值报警等功能,用户使用体验良好。
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