基于TDLAS技术的N_2O气体检测系统设计

基于红外光谱吸收及谐波检测原理,讨论了谐波信号和气体浓度关系,搭建了基于可调谐激光吸收光谱技术的气体检测系统。该系统采用低频锯齿波和高频正弦波联合调制激光器,并由锁相放大电路提取一次谐波和二次谐波信号幅值,以STM32F103VB控制器为核心,进行数据处理与数据上传,实现对0~0.1%浓度范围氧化亚氮(N_2O)气体实时测量。首先,介绍了系统的总体设计与核心结构,包括系统的硬件结构与软件结构;并进行了系统的标定和性能测试,结果表明二次谐波和一次谐波信号幅值比与浓度具有良好的线性关系,检测精度可达20×10~(-6),满足对N_2O气体实时监测的需求。     

放大器非线性失真测量装置的设计与实现

该文设计了一种放大器非线性失真测量装置,以晶体管放大电路作为基本电路,采用STM32F103RET6作为控制器,控制器输出电平给电压转换电路控制模拟开关,通过液晶触摸屏按钮使放大器输出无明显失真波形和4种非线性失真波形。控制器采集被测信号进行傅里叶变换得到基波和各谐波对应的幅值,计算信号总谐波失真THD值并显示。该系统可以准确测量频率为0.1 Hz～10.0 kHz、峰峰值为20 m V～5 V的信号。实测结果表明系统稳定可靠,精度高,具有较好的实用价值和应用前景。     

基于TDLAS的二氧化碳浓度检测系统及压强补偿研究

在利用可调谐二极管激光吸收光谱技术测量二氧化碳气体浓度的过程中,气体压强的变化会对吸收谱线展宽、波长调制系数和二次谐波信号幅值产生影响。基于可调谐二极管激光吸收光谱技术,在不同的压强下利用二次谐波峰峰值和一次谐波平均值测量二氧化碳气体的浓度,通过压强补偿抑制气室内压强变化所带来的测量误差。实验结果表明:利用压力补偿后系统的测量误差在2%以内,可以有效地抑制气体压强变化的影响,提高二氧化碳气体浓度测量的精度。     

基于光强调制和数字拟合的PSD位置检测方法的研究

为了实现对微小位置信号的精密测量,建立了PSD位置检测系统。对该系统的光强调制方法、测量原理、位置测量算法及误差评估进行了研究。实验发现当信号光强微弱时,位置敏感器件(PSD)受背景光强影响很大。采用正弦调制光强,通过带通放大的方式,克服背景光强的影响,极大地提高了测量系统的信噪比。针对所提取的PSD光强差与和信号均为调制频率信号,且幅值与相差由光斑位置决定的特点,提出应用同步A/D与椭圆拟合法计算光斑位置的方法,并对相关计算公式进行了理论推导。实验结果表明:在测量范围达到9 mm的条件下,测量精度可达到0.01 mm.基本满足PSD位置检测方法的稳定可靠、测量精度高、抗干扰能力强等要求。     

一种波长调制干涉仪光强实时反馈控制系统

提出了一种实时反馈控制系统,保证波长调制干涉仪的激光光强在波长调谐过程中的稳定性,以减小波长调制干涉仪因激光光强的波动产生的相位误差。该控制系统由光电探测器、数据采集卡、光电调幅器和控制软件等组成。实验结果表明,该系统的响应速度超过了干涉仪获取干涉图的速度,不仅能够稳定输出理想的光强值,而且还提高了干涉仪的测量精度。     

基于剩余幅度调制技术对强吸收下气体体积分数的测量研究

在可调谐半导体激光吸收光谱技术中,可利用剩余幅度调制信号实现对气体参数的免标定测量。然而现有RAM方法均需做弱吸收假设和简化,同时引入复杂的修正函数以提取完整的透射率信号用于气体浓度反演。针对此问题,建立了适用于任意吸光度和调制系数下的傅里叶光谱吸收模型,提出了直接对背景信号归一化的一次谐波Y分量进行拟合的免标定算法,减少了重建吸光度引入修正函数的过程。使用CH4为目标气体进行实验,体积分数计算的相对误差小于2%,标准偏差均小于4×10-2%,验证了该方法的可行性。     

采用调制光强测量浊度

为避免背景光的干扰 ,本文提出了采用调制光强测量浊度的新方法。讨论了对光信号转变为电信号时的非线性转换作线性化处理的问题。对测量过程在计算机上用MATLAB进行了仿真     

用调制光强测量浊度

主要介绍和分析在浊度测量中为避免背景光的干扰，采用调制光强测量浊度的新方法，并介绍如何对从光信号到电信号的非线性转换作线性化处理。最后，对测量过程在计算机上用MATLAB进行仿真。     

基于光声光谱法的无创血糖检测原理研究

利用光声光谱法无创血糖检测原理,以葡萄糖粉末和葡萄糖水溶液为样品、用调制激光作为信号激发源进行试验研究。可得到各个调制频率对应的光声信号幅值,进而得到光声信号幅值大小和调制频率的关系,最终找到葡萄糖粉末对应的最佳调制频率。在最佳调制频率下,测试葡萄糖水溶液,得到声信号随葡萄糖浓度增加的变化关系。实验不但找到葡萄糖对应的最佳调制频率,而且得到光声信号随葡萄糖浓度增加的线性关系,验证了光声光谱法在无创血糖检测中的可行性,为光声光谱法应用于无创血糖检测提供了一定参考价值。     

基于缺陷局部共振内调制机理的复合材料平板损伤识别

相比利用谐波和调制信号的非线性超声无损检测方法,损伤局部共振内调制效应可以大幅增强损伤界面间的非线性行为,且其利用激励频率与损伤局部共振频率间进行调制,输入信号得到简化。当激励信号满足特定的频率条件时,材料的缺陷和损伤局部在超声激励的作用下会产生共振,导致响应信号中出现幅值增强的倍频、超谐波、亚谐波以及激励频率与局部共振频率间的内调制现象。针对损伤局部共振效应构造单自由度非线性模型,并运用多尺度法进行分析,分别考虑平方、立方刚度非线性,推导局部共振内调制现象产生的机理。进行碳纤维复合材料板冲击损伤局部共振调制损伤识别实验分析,验证理论模型分析结果以及缺陷局部共振内调制非线性损伤检测方法的可行性。结果表明,利用缺陷局部共振内调制效应可以有效地识别复合材料板的冲击损伤。     

基于TDLS的光谱吸收型CO_2传感器仿真与实验研究

文中采用可调谐半导体激光器光谱吸收技术(TDLS),针对激光调制参数设置问题,建立CO_2气体光谱吸收理论模型,分析光谱吸收后产生基波、二次谐波信号与气体浓度的关系。使用Simulink进行仿真,研究激光器调谐系数对谐波强度的影响,并优化了实验系统的设计参数。通过搭建CO_2检测系统,进行气体浓度定标测试,得到气体浓度与谐波强度的关系,采用叠加平均和积分的方法处理检测信号,使系统性能得到显著提高。由此实现了CO_2气体高精度检测,为谐波检测技术的实际应用提供了参考。     

可调谐激光吸收光谱学检测甲烷浓度的新方案研究

基于可调谐二极管激光吸收光谱的光纤气体传感器检测气体浓度,具有灵敏度高、选择性好、响应时间快等优点。目前报导的基于二次谐波的气体浓度检测系统,普遍采用一次、二次谐波幅值之比作为系统输出,消除光强波动的影响。研究中分析了二次谐波检测方案的特点与不足,提出利用一次谐波检测甲烷的浓度,以一次谐波峰峰值与平均值的比值作为系统输出,系统结构简单,并可抑制光源波长漂移和扫描步长等因素对系统检测精度的影响。实验结果表明甲烷的浓度与系统输出值之间具有很好的线性关系,其线性拟合系数为0.999,系统的分辨率和检测精度分别为20×10-6和100×10-6。     

反射式光强调制型光纤压力传感器

本文介绍的是利用膜片在压力作用下的变形所调制的反射光功率信号、传输、耦合至光接收器,获得与压力有关的输出信号的光强调制原理的传感器。该传感器系统测量精度高,线性好,量程为0～10kPa,直线度0.5％,短期漂移优于1％。     

基于谐波分析的磁弹拉力测量改进方法研究

基于磁弹检测机理,提出一种磁弹拉力测量改进方法,即将谐波分析法应用于磁弹信号处理,通过统计信号频域各阶次谐波幅值,引入电气工程中表征波形相对正弦波畸变程度性能参数——总谐波畸变率来表征结构拉力。采用双套筒线圈式磁弹传感器在7芯钢绞线中获取磁弹检测试验信号,对比时域与谐波分析两种处理方法的特点,结果表明,谐波分析法处理过程更为简洁,所确立的标定方程的特性参数(线性拟合方程确定系数、斜率)随统计阶次增加而趋于稳定,且均优于时域处理结果,线性拟合方程确定系数可达0.996以上。同时,应用于高压输电导线的拉力测试,结果再次验证了总谐波畸变率与拉力间的良好线性关系。针对两种试验对象,当总谐波畸变率为1时,不同谐波统计阶次对应的标定方程对拉力的估算值间的相对误差均小于3%(其中7芯钢绞线最大为2.4%,高压输电线最大为2.9%)。该方法为磁弹拉力测量提供了一种新的表征及数据处理手段。     

弹光和电光级联的组合相位调制型椭偏测量术

利用弹光调制器的偏振调制优势,提出了将弹光调制器和电光调制器级联的组合相位调制型椭偏测量术。该技术采用单光路实现信号探测,通过切换电光调制器的两个工作状态,并结合数字锁相信号处理技术来完成样品反射光的p分量和s分量的幅值比Ψ和相位差Δ的全范围高精度测量。对提出的新型椭偏测量原理进行了分析,搭建了相应的实验系统。完成了弹光调制器的调制电压峰峰值和相位调制幅值关系的定标,定标结果优于99.05%,然后还采用系统初始偏移值的方法对实验系统进行了校准。最后,运用该系统对石英玻璃反射样品进行了实验分析,得到的Ψ和Δ的测量精度分别优于0.08°和0.81°。实验结果显示系统校准有效地消除了电光调制器和弹光调制器的剩余双折射引入的测量误差;数据采集和处理时间均在ms量级。提出的测量技术具有宽光谱测量、工作稳定、重复度高、测量速率快、成本相对较低和系统便于工业自动化集成的潜在优势。     

一种射频功放“谐波+互调”复杂非线性测量方法

提出了一种针对射频功放在调制信号激励下的"谐波+互调"复杂非线性测量方法。利用超低占空比Pulsed-RF信号驱动SRD脉冲发生器,该方法能够获得一种特殊的脉冲序列作为相位参考信号,并用于构建新型的非线性矢量网络分析仪NVNA测量装置。该相位参考信号能够在原有的各次谐波频点附件生成大量高频谱分辨率的调制谱线,从而保证NVNA实现"谐波+互调"复杂非线性的测量表征。实验表明,该方法在各次谐波频段可测量不少于180个有效频点,相位谱测量准确度可以达到±1°,能够获得射频功放在调制信号激励下的时频域行为特性。     

考虑声源非线性影响下材料非线性系数测量研究

采用有限幅值法测量材料非线性系数,提出减少声源非线性影响以提高检测结果精度的方法。利用多元高斯声束模型,将准线性条件下探头产生的基波、二次谐波及声源非线性声场表示为纯平面波解、衰减修正项和衍射修正项组合的形式;通过设备输出的监测信号分析声源非线性值的大小;进一步修正了采用平面波理论计算非线性系数计算公式,得到消除声场衍射、声能衰减及声源非线性波影响下更加准确的计算方法。对6061铝试块进行非线性系数的测量试验,结果显示在消除声源非线性影响下,不同检测电压下的测量结果间误差在10%以内,相比于未考虑声源非线性时的结果,其精度得到了极大的提高。研究将为减少声源非线性影响以提高材料非线性系数的测量精度提供理论帮助。     

齿轮-转子-轴承系统复合故障振动特性研究

针对齿轮-转子-轴承系统发生复合故障时齿轮副振动响应,结合齿轮副模型和滚子轴承模型,基于拉格朗日方程建立了36自由度的齿轮-转子-轴承系统耦合振型,设定齿轮副主动轮剥落和轴承表面损伤复合故障,研究了复合故障下齿轮副的振动响应。结果表明,在健康的齿轮-转子-轴承系统振动响应下,系统振动时域幅值较为均匀,振动频谱主要为轴承外圈特征频率和齿轮副啮合频率;当齿轮副发生剥落单故障时,系统振动频谱上出现啮合频率与转轴频率调制生成的边频带;当齿轮-转子-轴承系统发生复合故障时,系统振动时域上的振动幅值增大,振动愈加复杂,频域信号调制现象严重,而且调制生成的信号幅值增大,但在其振动频域上可以找到其故障频率以及调制生成的谐波频率,以此可以判断系统的故障类型。     

纳米精度外差式激光干涉仪非线性误差修正方法研究

提出一种外差干涉非线性误差修正方法,采用混频技术将光频信号降低到通用数据采集系统频率响应范围内;采用高速数据采集板实现外差干涉测量信号和参考信号双通道同步实时采集;对采集数据进行光滑处理,滤除高阶非线性误差;解出位移量对应的相位差。试验结果表明,所提出的修正方法可以较好地修正双频激光干涉仪中存在的非线性误差,使外差干涉仪测量不确定度由原来的20nm降低到10nm。     

提高基于TDLAS的废气动态浓度测量系统分辨率与灵敏度的方法

基于自平衡激光接收器和数字锁定放大器构造了TDLAS汽车尾气动态浓度测量系统。其中,自平衡激光接收器通过引入一个低频反馈回路去维持吸收信号和参考信号的自动平衡,有效地消除了背景噪音,扩大了测量范围;而数字锁定放大器采用一块DSP芯片TMS320F2812来实现相关检测算法,大大降低了系统的白噪音,提高了测量灵敏度。