论文部分内容阅读
一氧化碳气体无色无味,是有剧毒和可燃性的气体,因此会在毫无知觉的情况下中毒。在煤炭开采行业中,由于操作失误,导致一氧化碳气体大量泄漏,遇到明火会自燃,产生爆炸,浓度过大时会造成人员伤亡。为了给安全生产提供可靠的保证,需要设计一氧化碳泄漏报警系统。可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是一种应用非常广泛的气体检测技术。本课题针对应用于一氧化碳气体检测的波长为1580nm的DFB(分布反馈式)激光器设计了一款一氧化碳在线检测报警驱动控制系统。详细研究了基于TDLAS技术的气体检测理论,包括:气体选择性吸收理论,波长调制光谱理论,谐波探测原理,相敏检波原理。本课题的设计实现了高精度的激光器驱动电路和温度控制电路。根据负反馈原理设计了一款大电流的恒流源驱动电路用来驱动激光器,保证激光器的正常工作。温度控制设计根据模拟PID控制原理,调节DFB激光器的工作温度,热电致冷器驱动芯片LTC1923驱动热电致冷器(TEC),保证DFB激光器工作温度。以FPGA为主的数字调制与解调电路,利用FPGA输出高频正弦调制信号以及低频三角波驱动信号经调理后,恒流源电路对激光器进行驱动,实现对激光光源的调制。设计并实现了一种基于数字锁相环的气体检测和解调系统。针对传统的TDLAS气体检测采用的模拟锁相放大电路中存在的调相困难,稳定性差的缺点,设计了一款适用于气体检测的数字正交锁相放大器。数字正交锁相放大电路通过滤波和计算提取气体的一次谐波和二次谐波信号。通过二次谐波幅度与一次谐波幅度比值与待测气体浓度的关系,实现气体浓度测量。在此基础上,构建了基于TDLAS的一氧化碳气体检测平台,以一氧化碳为例配置不同浓度的气体,使可调谐二极管激光器在气体吸收峰附近扫描,光电信号由光电探测器转换,气体吸收后的一次谐波和二次谐波信号由数字正交锁相放大器信号处理模块提取。并且在通过调节电路之后,FPGA控制12位AD转换采集数据。采用STM32单片机与FPGA通讯,传输数据,通过以太网口将数据传到计算机,利用MATLAB对提取的信号采用最小二乘法数据拟合,进行气体浓度的计算。