【摘 要】
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近年来,我国工业科技的迅速发展使人们的生活水平明显提高。然而,科技发展也是一把双刃剑。随着时间推移,污染气体的泄露越来越多,这也提醒着人们解决大气污染问题刻不容缓。因此,开展对污染气体精确检测技术的相关研究变得极为重要。在目前已知的众多气体检测方法中,可调谐二极管激光吸收光谱（Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS）技术具有响应速度快、探
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近年来,我国工业科技的迅速发展使人们的生活水平明显提高。然而,科技发展也是一把双刃剑。随着时间推移,污染气体的泄露越来越多,这也提醒着人们解决大气污染问题刻不容缓。因此,开展对污染气体精确检测技术的相关研究变得极为重要。在目前已知的众多气体检测方法中,可调谐二极管激光吸收光谱（Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS）技术具有响应速度快、探测灵敏度高等优点。然而,在使用TDLAS技术检测气体浓度时,为了降低1/f噪声对气体浓度检测精度和灵敏度的影响,需要将TDLAS技术与波长调制光谱（Wavelength modulation spectroscopy,WMS）技术结合。在WMS技术中,需要使用函数发生器产生激光扫描信号和调制信号,并将上述调制信号的同步信号传输至锁相放大器,进而利用锁相放大器提取出与待测气体浓度相关的二次谐波信号,以获得更精确的待测气体浓度。在传统TDLAS技术中,函数发生器和锁相放大器通常为相互独立的设备单元,这不仅增加了TDLAS设备的体积、功耗和成本,而且数据在设备间的通讯传输也有可能引入额外噪声造成探测灵敏度的降低。本文针对TDLAS技术检测气体浓度的特点和应用需求,设计开发了一种微型数字锁相放大器。该微型数字锁相放大器可实现双通道函数发生器和高精度锁相放大器的相关功能,能够为激光器提供锯齿波扫描信号和正弦波调制信号,并能提取以正弦波调制信号为基频的二次谐波信号,从而反映待测气体的浓度。文中首先介绍了锁相放大器的工作机理以及采用TDLAS技术结合WMS技术检测气体浓度的基本原理。而后基于上述原理构建了以MSP430F1611为控制核心的微型数字锁相放大器硬件电路,包括主控制器电路、锯齿波扫描信号与正弦波调制信号产生电路、低噪声前置放大电路、数据采集电路以及数据传输电路。其次,设计了软件平台和数据显示上位机,其中软件平台通过程序算法对参考时钟源、相敏检波、数据采集及传输进行控制,上位机完成解调后数据的显示以及存储。同时,该微型数字锁相放大器通过对自身输出的锯齿波扫描信号和正弦波调制信号进行解调,验证了其利用相敏检波进行信号解调的正确性。文章最后,为验证设备性能,我们基于上述微型数字锁相放大器搭建了甲烷气体TDLAS检测系统,利用该微型数字锁相放大器输出扫描信号实现对中心为1653.72 nm可调谐半导体激光器波长的连续扫描,同时对光电探测器输出的二次谐波信号进行提取,进而获取待测甲烷气体的浓度信息。为增强装置探测灵敏度,一个有效光程长度为4.2 m的小型气体吸收池被置于光源和探测器之间,实验中分别将浓度为2.5 ppm、5 ppm、10ppm、15ppm、20 ppm、25ppm、30 ppm的甲烷气体充入气体吸收池并分别获取了与之对应的光谱信号。将基于自制微型数字锁相放大器获取的实验数据与基于商用锁相放大器（斯坦福大学,型号SR830）获取的实验数据进行比对,结果的一致性验证了自制微型数字锁相放大器应用于激光气体传感领域的可行性和准确性。相对于传统的锁相放大器,该微型数字锁相放大器的体积更小、功耗更低,更易于进行系统集成,将极大地推动激光气体传感技术在众多领域的应用。
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