基于LabVIEW的光纤甲烷气体检测系统研究

基于比尔-朗伯(Beer-Lambert,B-L)定律研究了光谱吸收式光纤甲烷气体检测技术,采用谐波检测方法研究空芯光子光纤的甲烷气体检测技术提高精确度和灵敏度,并对检测过程中的温度、驱动电流因素进行优化。设计多间隙耦合空芯光子光纤气室进行空芯光子光纤的甲烷检测,提高了系统检测的灵敏度。利用LabVIEW软件进行虚拟仪器设计,进行甲烷浓度波形显示,构建基于LabVIEW的虚拟仪器的数据采集系统。实验结果表明甲烷浓度与检测信号呈现出良好的线性关系。     

可调灵敏度的新型光纤光学甲烷检测系统

应用取样光纤光栅和棱镜气室,构建了灵敏度可调的光纤甲烷检测系统,可实现对甲烷气体等距分布的多条吸收线的同时测量.利用背景扣除和比值处理技术,实现了常压下甲烷不同体积分数的检测.气体配置过程的在线实验表明,系统示值与体积分数变化间线性关系良好.     

基于温度补偿的甲烷检测系统设计与实现

由于现场农田环境的复杂多变性,红外甲烷传感器所测数据的准确性和稳定性受外界环境温度影响较大,因而由温度造成的浓度测量偏差需要补偿。分析温度对浓度测量的影响,采用温度、浓度控制单一变量法,对同一浓度甲烷标准气体在不同温度下作标定实验,研究红外甲烷传感器输出值随温度变化关系,得到补偿温度影响率,结合补偿数据处理算法得到补偿值。针对不同浓度的甲烷气体,进行温度特性实验和温度补偿数据处理,实验结果表明:温度补偿前最大测量误差为0.2%,经补偿后,甲烷浓度测量值随温度变化较小,误差范围为0~0.02%。补偿后传感器稳定性和准确性得到改善,能检测0~5%浓度甲烷气体,检测精度可达40×10-6,满足对CH4气体实时监测需求。     

实用型双气室气体传感器系统

基于气体的近红外吸收机理,研究了一种双气室光纤气体传感器。通过光纤光栅和压电陶瓷对宽带光源LED进行波长调制,获得与气体吸收峰对应的窄带反射出射光,检测二次谐波,实现气体浓度的较高灵敏度测量。利用测量气室和参考气室的二次谐波的比值来消除吸收系数随环境的变化、光源光功率的波动和光路干扰对测量精度的影响。利用该系统对CH_4气体进行了实验研究,实验表明该系统的测量灵敏度可以达到1×10~(-5)。     

基于GFC的非分散红外CH_4和C_2H_2气体检测系统

基于甲烷气体和乙炔气体近红外吸收的机理,研究了一种高灵敏度非分散红外系统,同时测量甲烷气体和乙炔气体浓度.系统采用折反式吸收池作为气室,结合先进的气体滤波相关技术和相关检测技术,实现了对微弱光谱信号的调制和检测,最后实现对浓度的反演,从而实现了甲烷和乙炔气体实时测量.试验结果表明:系统具有10~(-5)的测量分辨力.     

透射式光纤甲烷气体监测系统的研究

基于甲烷气体的光谱吸收特性,采用一种带有参考通道的光纤甲烷气体在线实时监测系统.为了消除随机因素的影响,在设计过程中采用了双光路结构解决系统不稳定问题,提高测量准确度.给出了该光纤甲烷气体测量系统的实验结果.     

基于光纤环形衰荡腔的甲烷传感研究

提出一种基于腔衰荡光谱技术的新型光纤甲烷传感方法,与传统的甲烷传感方式相比,它可以通过测量信号的相位移动来测量气体的浓度。实验中采用了环形的光纤结构,避免了小型渐变折射率透镜构成的微型气室产生的二次噪声,提高了系统的灵敏度。结果表明,该系统可以应用于低浓度气体的在线检测。     

具有开放气室的实时红外气体检测系统

介绍了一种具有开放气室的实时红外气体检测系统。系统由Silicon Lab C8051F060单片机控制．选用MFMS红外光源和光电二极管红外探测器，依据相关检波基本原理设计了信号调理电路。对乙醇和甲烷气体的测量实验表明：在16Hz的光源调制频率下，系统具有较高的灵敏度和信噪比。     

便携式红外甲烷传感器硬件设计与实现

针对传统红外甲烷传感器体积大、操作繁琐等问题,设计出了一种便携式红外甲烷传感器,实现了气室小型化的要求。该红外甲烷传感器是以MSP430系列单片机为核心,具有实时测量、数字显示以及超限报警等功能。阐述了差分吸收法的工作原理,设计了气室结构并进行了仿真分析,分析结果表明该气室反射光分布均匀,不仅有利于探测器的接收,而且延长了光程;同时也设计了该传感器的电路系统。实验结果显示,该红外甲烷传感器可进行全量程范围浓度的检测、精度高、灵敏度好,还具有体积小,便于维护以及操作简单等的特点,非常适合随身的携带和在野外条件下的使用。     

NDIR甲烷传感器电路设计与实现

基于红外检测原理,以MSPF1611单片机为核心设计了NDIR甲烷传感器。针对NDIR甲烷传感器的核心电路部分,设计了NDIR甲烷传感器的电源电路和放大滤波电路;为检验放大滤波电路的放大和滤波性能,使用PROTEUS软件对所设计的放大滤波电路进行了仿真,结果表明该电路具有较好的放大和滤波效果。实验室条件下,对NDIR甲烷传感器进行了全量程标准甲烷气体的检测性实验和对0.5%标准甲烷气体检测的稳定性实验,结果表明该传感器能够准确地检测出甲烷浓度和具有较好的测量稳定性。     

非分散红外二氧化硫浓度测试系统设计

烟道排放的二氧化硫气体对人体健康和生态环境等有着严重的危害性,因此实时检测二氧化硫气体的产生和浓度具有重要的意义.基于红外吸收检测原理,采用双波长单光路结构,设计了集光源、气室、探测器为一体的浓度测试探头,利用差分放大电路和锁相放大电路实现二氧化硫气体的浓度测量.在实验室条件下,对二氧化硫气体进行了实时连续检测,并对实验结果进行了分析和探讨.实验结果表明,该系统测量精度高,具有较好的稳定性,且结构简单易实现,可实现二氧化硫气体的实时在线检测.     

吸收式光纤乙炔气体传感器的研究

基于乙炔气体的光谱吸收特性,采用一种带有参考通道的光纤乙炔气体在线实时检测系统.在设计过程中采用了双光路结构解决系统不稳定问题,消除随机因素的影响,提高测量准确度.给出了该光纤乙炔气体浓度测量的实验结果.     

客车制动气室气体入口直径对压力特性影响的研究

根据客车气压制动系统,建立气室气体入口、气室内腔压力等关键部件的数学模型,参照国际标准搭建制动气室压力特性试验平台;通过试验与仿真,导出四种入口直径下的气室内腔压力、推杆位移等试验和仿真参数;从压力响应时间、系统节能、系统稳定性三个方面分析气室气体入口直径对压力特性的影响。试验和仿真数据结果具有良好的一致性,可为制动气室的分析与设计提供参考。     

交变光场时空耦合型位移测量系统的研制

针对现有光栅精密刻划加工难度大制约测量精度的问题,设计了一种以交变光场为测量媒介的时空耦合线性位移测量系统。该测量系统利用四路正交的交变光场与四组正交的正弦透光面调制耦合形成电行波信号实现高精度位移测量。在对测量系统测量原理分析的基础上,建立了该系统的理论模型和误差模型,通过仿真详细分析了该系统在时间相位不正交、空间相位不正交以及结构安装不平行时的误差规律。开展实验验证了一次、二次和四次谐波的产生原因,根据误差来源改进了测量装置的结构,优化了相应的参数。实验结果表明:在180mm测量范围内,用栅距0.6mm的测量系统实现了±0.4μm的测量精度。该测量系统规避了现有光栅精密刻划的问题,结构简单、安装方便,为光学位移测量提供了新思路。     

沼泽湿地甲烷气体浓度检测

针对传统沼泽甲烷气体检测方法中存在的过程繁琐、实时性差的问题,分析了基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱的光学式检测方法.提出通过计算一次谐波信号的峰值与平均值对气体浓度测量的方案,并结合虚拟仪器技术加以实现.经实验测试表明:该系统性能稳定,能够实现在线实时检测,检测精度(体积分数)为0.02%.     

TDLAS一氧化碳浓度检测系统误差分配

在利用可调谐二极管激光吸收光谱技术测量一氧化碳(CO)气体浓度时,反演精度受光强、温度、压强等的影响,需要对系统的总体误差进行分析与分配。为了提高TDLAS的测量精度,降低多项误差对测量的影响,本文提出了对系统各个测量误差的分配方法。首先建立了CO浓度反演的误差模型,基于二次谐波测量原理引入了二次谐波峰值、光强、驱动电流、温度、压强和光程几项误差;其次,利用随机化方法分别研究了系统各项误差对浓度误差的影响,并通过数值拟合的方法推导了浓度误差与各项误差的关系,比较了浓度误差对各项误差变化的灵敏度;最后,根据求得的灵敏度关系,综合考虑浓度测量要求以及现有器件的工艺水平,对各项误差进行了合理、有效的分配。利用蒙特卡洛法对本文所提出的各项误差分配方案进行了仿真,仿真结果表明,在CO体积分数为2.5%时,该误差分配方案可使浓度测量的绝对误差小于0.025%。在实验室条件下对体积分数为2.5%的CO进行了测量,其绝对误差小于0.01%,实现了对CO气体浓度的高精度反演。本文的研究结果保证了TDLAS浓度检测系统在多项误差影响下的测量精度,同时,可有效降低系统的设计难度和经济成本,对仪器的开发和应用具有重要的指导意义。     

基于CCD和FPGA的光栅位移测量系统

介绍了一种基于CCD和FPGA的光栅位移测量技术,建立了光栅位移测量系统.系统由线阵CCD采集光栅莫尔条纹,将检测到的莫尔条纹通过A/D转换器输入FPGA处理器,FPGA处理器对采集到的莫尔条纹信号进行处理,利用FFT变换求取信号相位的变化,再根据相位的变化求出位移值.文中详细介绍了工作原理的推导过程、CCD驱动控制、信号预处理以及FFT变换在FPGA中的设计实现.实验验证该系统抗干扰能力强,对光栅信号质量要求不高,能到达较高的细分数,并且系统集成度高,开发成本低,运行稳定.     

超精密外差利特罗式光栅干涉仪位移测量系统

开展了扫描干涉光刻机工作台超精密位移测量的实验研究,以提高扫描干涉光刻机的环境鲁棒性。针对扫描干涉光刻机工作台位移测量精度,提出了新型高环境鲁棒性外差利特罗式光栅干涉仪测量系统。介绍了系统测量原理,设计了测量系统,提出了基于Elden公式的系统死程误差建模方法。设计制造了尺寸仅为48mm×48mm×18mm的光栅干涉仪。基于误差模型计算了死程误差,计算结果表明:对于1.52mm死程的光栅干涉仪,宽松的环境波动指标(温度波动为0.01℃、压力梯度为±7.5Pa、相对湿度波动为1.5%、CO2含量波动为±50×10-6)仅引起±0.05nm的死程误差。最后,设计了基于商用双频激光平面镜干涉仪的测量比对系统,开展了光栅干涉仪原理验证实验和测并量稳定性实验。原理验证实验表明:光栅干涉仪原理正确且系统分辨率达0.41nm。测量稳定性实验表明:常规实验室环境下,环境波动引起的死程误差为7.59nm(3σ)@0.9Hz1~10Hz,优于同等环境条件下平面镜干涉仪的31.11nm(3σ)@0.9Hz1~10Hz。实验结果显示系统具有很高的环境鲁棒性。     

基于热膜探头的新型气体流量传感器研究

基于热膜探头的热传递原理,设计了一种新型的气体流量传感器.首先研究了在不同环境温度和电流下热膜探头的温度特性,确定其工作电流.然后分析热膜探头中测量电阻和补偿电阻之间的关系,设计了具有温度补偿功能的气体流量传感器电路,减小了环境温度对气体流量测量的影响.最后根据气体流量标定实验数据,建立了流量传感器的数学模型.实验结果表明,该气体流量传感器具有较好的一致性,测量精度优于0.8%,流量量程比达100∶1.     

基于TDLAS和ICL的紧凑中红外痕量气体探测系统

为了实现基于可调谐激光吸收光谱技术的高检测灵敏度、低功耗、小型中红外痕量气体传感器设计,结合锑化镓(GaSb)ICL和紧凑型多反射气体吸收气室(MPC)研制了基于不同结构传感光学核的两个小型TDLAS传感系统。两个传感光学核的总功率消耗为3.7 W,并通过探测甲烷(CH4)和甲醛(CH2O)分别验证了双层结构和单层结构系统的性能。实验结果表明:CH4和CH2O系统的检测灵敏度分别为5.0nL/L和3.0nL/L,测量精度分别为1.4nL/L和1.0nL/L。此外,相同配置情况下将两种结构系统应用于甲、乙烷(C2H6)同步检测,通过对校园环境中甲、乙烷进行连续66h的监测试验,验证了设计的紧凑型中红外痕量气体检测系统能够稳定有效地工作,基本满足目前民用气体测量的稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。