（通信与信息系统专业论文）基于光谱吸收法的乙烯气体浓度检测系统研究.pdf

原创性声明 l i i i iii ii il l i l l l ll l l l l l i y 18 219 6 5 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责 任由本人承担。 论文作者签名：主勿里丛 日期：丛f1 21 z ：笪： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：栖宣丛导师签名期：业 山东大学硕士学位论文 目录 中文摘要l a b s l r i 认c t 。3 第1 章绪论。5 1 1 弓i 言，5 1 2 气体检测的方法概述7 1 2 1 传统的气体检测技术一7 1 2 2 传统气体浓度检测的缺点7 1 3 光纤传感技术及光纤气体传感器的优点8 1 4 光纤气体传感器的类型9 1 5 光谱吸收型气体传感器的研究现状1 3 1 6 课题的意义、目的1 3 第2 章激光红外光谱吸收法的基本原理及方法研究1 5 2 1 引言。15 2 2 光谱吸收法的几种实现方式1 6 2 2 1 单波长单光路光谱吸收法1 6 2 2 2 差分光谱吸收法。1 6 2 3 吸收路径的长度对吸收池灵敏度的影响1 8 2 3 1 引言18 2 3 2 实现长光程的方法杯特池的构造及特性1 8 2 4 乙烯气体的吸收峰分析1 9 2 4 1 分子吸收理论1 9 2 4 2 乙烯气体的吸收峰。2 0 2 5 光纤气体传感器所用光源2 2 2 5 1 半导体激光二极管2 2 2 5 2 分布反馈式半导体激光器d f bl d ( d i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e rd i o d e ) 2 4 2 6 光电探测器2 5 2 6 1p i n 光电二极管2 6 2 6 2 雪崩二极管( a p d ) 2 7 2 7 本章总结2 7 第3 章气体浓度的谐波检测理论2 9 3 1 引言。2 9 3 2 谐波检测理论3 0 山东大学硕士学位论文 3 3 一次谐波及二次谐波与调制系数的关系3 3 3 4 锁相放大器检测原理( l i a ) 3 5 3 5 本章总结。3 7 第4 章系统设计3 8 4 1 引言一整体介绍3 8 4 2 硬件部分3 9 4 2 1 激光器驱动( 温度控制及正弦调制) 。3 9 4 2 2 怀特池4 0 t 4 2 3 探测器一光敏二极管特性4 0 4 2 4 锁相放大器4 2 4 2 5 数据采集卡u s b 2 811 4 3 4 2 6 波长计4 3 4 3 本章总结4 4 第5 章激光器性能实验4 5 5 1 引言4 5 5 2 激光器性能测试4 5 5 2 1 激光器输出中心波长及功率与温度的关系。4 5 5 2 2 激光器输出中心波长与驱动电流的关系。4 7 5 3 本章总结5 0 第6 章基于l a b v i e w 的软件设计5 l 6 1 关于虚拟仪器及l a b v i e w 软件的介绍。5 l 6 1 1 关于虚拟仪器的介绍5 1 6 1 2l a b v i e w 介绍5 2 6 2 程序设计流程5 5 6 3 浓度标定实验一5 6 6 3 1 各浓度下的二次谐波曲线5 6 6 3 2 数据分析5 7 6 3 3 结论一5 9 6 4 浓度计算程序6 0 6 4 1 程序框图6 0 6 4 2 前面板6 l 6 4 3 测量相对误差6 2 6 5 本章总结6 3 第7 章全文总结“ 7 1 论文主要内容及及创新6 4 山东大学硕士学位论文 7 2 不足及展望6 5 参考文献6 6 致谢6 9 攻读硕士学位论文期间发表的论文。7 0 i i i 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s e s t r a c t 3 1i n t r o d u c t i o n 5 1 1i n t r o d u c t i o n 5 1 2 1g a sd e t e c t i o no v e r v i e w 7 1 2 1t r a d i t i o n a lg a sd e t e c t i o nm e t h o d s 7 1 2 2s h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a ld e t e c t i o n 7 1 3s h o r t c o m i n g so fo p t i c a lf i b e rg a ss e n s i n g 8 1 4 o p t i c a lf i b e rg a ss e n s o rt y p e 9 1 5o p t i c a lf i b e rg a ss e n s o rr e s e a r c hp r e s e n ts i t u a t i o n 1 3 1 6s i g n i f i c a n c ea n dp u r p o s eo f t h es u b j e c t 1 3 2l a s e ri n f r a r e da b s o r p t i o ns p e c t r u mo ft h eb a s i cp r i n c i p l e so fh a i ra n da c t i v ed e v i c e s 15 2 1i n t r o d u c t i o n 1 5 2 2s e v e r a li m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so fa b s o r p t i o n l6 2 2 1 s i n g l e w a v e l e n g t hs i n g l e - b e a mm e t h o d 1 6 2 2 2d i f f e r e n t i a la b s o r p t i o n 1 6 2 3e f f e c to nt h ea b s o r p t i o nc e l lo ft h ea b s o r p t i o np a t h l8 2 3 1i n s t r u c t i o n 1 8 2 3 2p r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so f w r i t ep o n d 1 8 2 4e t h y l e n ea b s o r p t i o np e a ka n a l y s i s 1 9 2 4 1m o l e c u l a ra b s o r p t i o nt h e o r y 1 9 2 4 2 e t h y l e n ea b s o r p t i o np e a k 2 0 2 5 o p t i c a ls o u r c ef o rf i b e r - o p t i c s e n s o r 5 2 2 2 5 1s e m i - c o n d u c t o rl a s e rd i o d e 2 2 2 5 2d i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e rd i o d e ( d f bl d ) 2 4 2 6p h o t oe l e c t r i c i t yd e t e c t o r 2 5 2 6 1l ? 1 、ia n dp i np h o t od i o d e s 2 6 2 6 2a v a l a n c h ep h o t od i o d e 2 7 2 7s u b s u m m a r y 2 7 3 p r i n c i p l eo fh a r m o n i cd e t e c t i o no fg a sc o n c e n t r a t i o n s 2 9 3 1i n s t r u c t i o n 2 9 i v 山东大学硕士学位论文 3 2h a r m o n i cd e t e c t i o nt h e o r y 3 0 3 3l i n e a rh a r m o n i ca n ds e c o n dh a r m o n i cc o e f f i c i e n t so ft h er e l a t i o n s h i p 、析mt h er e d e p l o y m e n t 3 3 3 4l o c k i na m p l i f i e rd e t e c t i o nt e c h n o l o g y 3 5 3 5s u b - s u m m a r y 3 7 4o v e r a l ld e s i g ns c h e m eo ft h es y s t e m 3 7 z i 1i n s t r u c t i o n 38 4 2h a r d w a r ed e s i g n ：；9 4 2 1l a s e r - d r i v e n 3 9 4 2 2w h i t ep o n d 4 0 4 2 3p h o t o d i o d ed e t e c t o r 4 0 4 2 4l o c k - i na m p l i f i e r 4 2 4 2 5d a t aa c q u i s i t i o nc a r du s b 2 8 11 4 3 4 2 6w a v em e t e r z i ：i 4 3s u b - s u m m a r y 4 4 5s y s t e mt e s t z l ! ； ! ；1i n s t r u c t i o n 4 5 5 2l a s e rp e r f o r m a n c et e s t i n g 4 5 5 2 1c o n n e c t i o no fl a s e rc e n t e rw a v e l e n g t ha n dp o w e r 、析mt e m p e r a t u r e 4 5 5 2 2c o n n e c t i o no f l a s e rd r i v ec u r r e n tw i t ht e m p e r a t u r e 4 7 1 ；3 s u b s u m m a r y ：；( ) 6p r o g r a m m i n gb a s e do nl a b v i e w ! ；1 6 1i n s t r u c t i o no fv ia n dl a b v i e w 5 1 6 1 1i n s t r u c t i o no fv i 5 1 6 1 2i n s t r u c t i o no fl a b v i e w ! ；：1 6 2p r o c e d u r ef l o w ! ；5 6 3 d e n s i t yd e m a r c a t i o ne x p e r i m e n t 5 6 6 3 1c o n c e n t r a t i o no ft h es e c o n dh a r m o n i cc u r v e 5 6 6 3 2d a t aa n a l y s i s 5 7 6 3 3c o n c l u s i o n 5 9 6 4d e n s i t yc o m p u t a t i o n a lp r o c e d u r e 6 0 6 4 1p r o c e d u r ed i a g r a m 6 0 v 山东大学硕士学位论文 6 4 2f r o n td i s p l a y p a n e l 6 1 6 4 3m e a s u r e m e n tr e s u l tr e l a t i v ee r r o r 6 2 6 5 s u b - s u m m a r y 6 ：； 7s u m m a r y 6 4 7 1 p a p e rp r i m a r yc o n t e n t 6 4 7 2 i n s u f f i c i e n c ya n df o r e c a s t 6 1 ； r e f e r e n c e s 6 6 t h a n k s 6 9 p u b l i c e dp a p e r sd u r i n gs t u d y 7 ( ) v i 山东大学硕士学位论文 中文摘要 乙烯是石油化工的基本原料之一，也是石油化工产业的核心，乙烯的化学性质活 跃，属于易燃易爆气体，检测空气及设备中的乙烯浓度是保证安全的必要条件。 光纤传感器与传统的传感器相比，具有突出的优点：灵敏度高；抗电磁干扰；传 输损耗低，测量范围宽，精度高；寿命长，工作稳定。正是这些优点大大促进了光纤 传感技术的发展。 本文以乙烯气体为研究目标，设计了一种光纤气体传感系统，基本理论是谐波检 测技术、光谱吸收式光纤传感技术及l a b v i e w ，检测乙烯气体浓度的基本原理是朗伯一 比尔定律，但出射光强度较微弱，本文选择了长光程吸收，d f bl d ( 分布反馈半导体 激光器d i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e rd i o d e ) 做光源，采用谐波检测及锁相放大器检 测微弱信号。 本论文完成的主要工作是 1 阐述了光谱吸收测量气体浓度的基本原理，从理论上分析了谐波检测的原理及 实现方法 2 确定了乙烯的吸收区间及吸收峰，并选择吸收峰波长1 6 2 6 n m 作为吸收点，这是 确定光源的前提。 3 选择了谱线窄、稳定性好的d f bl d 作为系统的光源，并用激光控制器完成对光 源的波长调制及温度控制，使光源的发光波长位于1 6 2 6 n m ，与气体吸收峰相匹配，提 高了光源的稳定性和精确度。 4 吸收气室采用长光程吸收( w r i t e 池) 来增加光程，使气体在w r i t e 室内多 次反射经过气体，加强了气体的吸收光程，提高了测量的灵敏度。 5 设计了测量乙烯浓度的整体系统，并对系统的各个部分和工作过程作了基本 介绍。 6 采用锁相放大器s r 8 3 0 检测微弱信号，详细介绍了锁相放大器的原理及构造。 7 论文初步介绍了l a b v i e w 软件的特点，在信号处理中用l a b v i e w 虚拟仪器， 经图形化编程，对数据进行采集及处理。 8 本文还对激光器的性能进行了测试，得出了半导体激光器输出波长与温度的关 山东大学硕士学位论文 系，输出波长与驱动电流的关系。 9 通过实验得出了乙烯浓度与测量信号的关系。画出实验曲线，推导了计算浓 度的函数关系。 该系统的优点是灵敏度高，稳定性好，可以在高温、有毒有害等恶劣的环境中应 用，并可加以改进测量其它气体的浓度，具有广阔的应用前景及发展空间。 关键词：光纤气体传感；谐波检测；锁相放大器；l a b 、，i e w 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t e t h y l e n ei st h eb a s i cs t u f fa n dt h ec o r em a t e r i a li nt h ep e t r o l e u mc h e m i c a li n d u s t r y e t h y l e n ee x i s t sb yn a t u r eo nt h ec h e m i c a lt e r m i ti sp r o n et oe x p l o d ea n db u m i ti s e s s e n t i a lt od e t e c tt h ee t h y l e n ed e n s i t yi nt h ea i rf o re n s u r i n gt h es e c u r i t y t h eo p t i c a lf i b e rs e n s o r , c o m p 盯e dw i t ht h et r a d i t i o n a ls e n s o r ，h a st h eo u t s t a n d i n g a d v a n t a g e m e n t ：h i g hs e n s i t i v i t y ，r e s i s t a n c ea g a i n s tt h ee l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b i n g ；t h e t r a n s m i s s i o nl o s si sl o w ；w i d em e a s u r i n gr a n g e ；h i g ha c c u r a c y ；l o n go p e r a t i n gl i f e ； g o o ds t a b i l i t y t h a n k st ot h es u p e r i o r i t i e s ，t h ef i b e rs e n s o rh a sb e e nd e v e l o p e dg r e a t l y t h es u b j e c to ft h ee s s a yi st od e s i g na o p t i c a lf i b e rs e n s o rs y s t e mb yt h ee t h y l e n e t h eb a s i ct h e o r yi st h a tu s i n gs p e c t r a la b s o r p t i o nf i b e rs e n s o rt e c h 、h a r m o m cd e t e c t i o n a n dl a b v i e wd e t e c tt h ee t h y l e n ed e n s i t y t h ep r i n c i p l ei st h el a b - b e e rl a w a st h e e m e r g i n gl i g h ti sw e a k ，c h o o s i n gd f b - l da st h eo p t i c a ls o u r c e ，t h eh a r m o n i c d e t e c t i o nt e c ha n dp h a s e - l o c ka m p l i f i e rd e t e c tt h ew e a ks i g n a l t h em a i nw o r ko ft h i se s s a y ： 1 、e x p l a i nt h et h e o r yo ft h es p e c t r a la b s o r p t i o no nm e a s u r i n gt h eg a sd e n s i t y ； a n a l y z et h eh a r m o n i cd e t e c t i o nt h e o r ya n dh o wt op u tt h et h e o r yi n t op r a c t i c e 2 、c o n f i r mt h ee t h y l e n ea b s o r p t i o nr a n g e i n t e r v a la n da b s o r p t i o np e a k16 2 6 n m ； s e l e c tt h ew a v e16 2 6a st h ea b s o r p t i o np o i n t ，w h i c hi st h ep r e c o n d i t i o nt oc o n f i r mt h e l i g h ts o u r c e 3 、c h o o s et h en a r r o ws p e c t r a ll i n ea n dg o o ds t a b i l i t yd f b l da st h el i g h ts o u r c ei n t h es y s t e m ，u s i n gt h el a s e rc o n t r o lt oc o m p l e t et h ew a v em o d u l a t i o na n dt e m p e r a t u r e c o n t r o l ；k e e pt h el i g h tw a v ea tt h e16 2 6 n m ，m a t c h i n gt h eg a sa b s o r p t i o np e a k ，p r o m o t e t h el i g h ts t a b i l i t ya n da c c u r a c y 4 、a d o p tt h el o n go p t i c a lp a t ht oe n h a n c et h eo p t i c a lp a t h ，m a k i n gg a si nt h ew r i t e r o o mr e f l e c t e db yt h eg a s ，t h u ss t r e n g t h e n i n gt h eg a st oa b s o r bt h eo p t i c a lp a t h ，r a i s i n g t h es e n s i t i v i t yd e t e c t i o n 5 、d e s i g nt h ew h o l es y s t e mo nt h em e a s u r i n gt h ee t h y l e n ed e t e c t i o n ；i n t r o d u c et h e e v e r ys e c t i o na n dp r o c e s so ft h i ss y s t e m 6 、m a k eu s eo fp h a s e - l o c ka m p l i f i e rs r 8 3 0t of i n dt h ew e a ks i g n a la n di l l u s t r a t e t h ea m p l i f i e rs t r u c t u r ea n de x p l a i na p p l i c a t i o ni nd e t a i l 3 山东大学硕士学位论文 7 、g i v et h el a b v i e wc h a r a c t e r sa c c o u n tf o rh o wt ou s et h el a b v i e wa n dh o wt o a d o p ta n dd e a l 埘t ht h ed a t aw h e nm e e t i n gt h es i g n a lp r o b l e m s 8 、d r a wac o n c l u s i o na b o u tt h er e l a t i o nb e t w e e ns e m i - c o n d u c e rl a s e ro u t p u t w a v e l e n g t ha n dt h et e m p e r a t u r e ，r e l a t i o nb e t w e e nt h ew a v e l e n g t ha n dd r i v ec u l t e n t 9 、d i s c o v e rt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ee t h y l e n ed e n s i t ya n dd e t e c t i o ns i g n a l ；d r a wa l i n ea n dd e r i v a t et h ef u n c t i o no ft h ed e n s i t y t h es y s t e mm e r i t sl i ei nh i g hs e n s i t i v i t y ，g o o ds t a b i l i t y m e a n w h i l et h es y s t e mc a l l a p p l yi nt h eh i g ht e m p e r a t u r ep o i s o n o u sa n d h a r m f u lc o n d i t i o n f u r t h e r m o r e ，t h e s y s t e mc a n b eu s e do nm e a s u r i n go t h e rg a sd e n s i t y t h es y s t e mh a sb r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c ta n dd e v e l o p m e n to p p o r t u n i t i e s k e y w o r d s ：o p t i c a lf i b e rg a ss e n s o r ；h a r m o n i cd e t e c t i o n ；p h a s e - l o c ka m p l i f i e r ；l a b v i e w 4 ， 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 乙烯( 分子式：c2 h ) ，乙烯是石油化工最基本原料之一，可制备多种有机原料， 如乙醇、乙醛、醋酸、环氧乙烷、乙二醇、乙苯、氯乙醇、氯乙烯、苯乙烯、二氯乙 烷和醋酸乙烯等，也可作为合成材料。乙烯生产装置是石化工业的核心，是世界上产 量最大的化学产品之一，乙烯产品占石化产品的7 0 以上，石油化学工业中大多数中 间产品( 有机化工原料，约2 0 0 种) 和最终产品( 三大合成材料：塑料、合成纤维、 合成橡胶) 均由烯烃和芳烃为原料。乙烯装置在生产乙烯的同时，副产大量的丙烯、 丁烯、丁二烯、苯、甲苯和二甲苯等，世界上约7 0 的丙烯、9 0 的丁二烯、3 0 的芳烃均来自乙烯的副产。正因为乙烯生产在石油化工基础原料生产中所占的主导地 位，常常以乙烯生产作为衡量一个国家和地区石油化工发展水平的重要标志之一，在 国民经济中占有重要的地位 乙烯无色，略具烃类特有的臭味。少量乙烯具有淡淡的甜味。主要物理性质如下： 物熔点沸点相对相对饱和临界临界引燃 p h 理( )( )密度 蒸汽蒸气温度压力温度 量( 水密度 压 ( m p a ) = 1 ) f 牵 ( k p a 气 ) = 1 ) 性质 - 1 6 91 0 30 6 10 9 84 0 8 39 25 0 44 2 57 乙烯的主要危险性有以下几点： ( 一) 健康危害：具有较强的麻醉作用。 ( 二) 急性中毒：吸入高浓度乙烯可立即引起意识丧失，无明显的兴奋期，但吸 入新鲜空气后，可很快苏醒，对眼及呼吸道粘膜有轻微刺激性。 ( 三) 液态乙烯可致皮肤冻伤。慢性影响：长期接触，可引起头昏、全身不适、 乏力、思维不集中，个别人有胃肠道功能紊乱。 ( 四) 环境危害：对环境有危害，对水体、土壤和大气可造成污染。 ( 五) 燃爆危险；本品易燃，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高热或与 氧化剂接触，有引起燃烧爆炸的危险，与氟、氯等接触会发生剧烈的化学反应。 5 山东大学硕士学位论文 g b1 3 6 9 0 - 9 2 ( 常用危险化学品的分类及标志) 将该物质划为第2 1 类易燃气体， 在工业生产中，不论是作为原料，还是作为生成物，实时监测乙烯的浓度是保证安全 的必要措施。 随着世界工业化程度的提高，工业事故越来越成为社会关注的焦点，煤矿及化工 厂的安全事故日益增多，每次事故都引发了人员伤亡及巨大的财产损失，国家付出巨 额款项来预防隐患。安全事故大部分与有毒气体及易燃易爆气体有关，因此测量这些 气体的浓度一直是各个厂矿、企业防止事故的重要手段，检测气体浓度是工业领域的 研究热点n 卅，气体浓度检测的目的主要用于以下几个方面嘲。 检测易燃易爆气体的浓度，从而防火防爆。存在可燃气体源的很多场所，如油田、 煤矿、化工厂这些地方常因可燃气体大量泄漏引起不幸事故，这种检测的可靠性和实 时性要求较高，一旦气体泄漏超过允许标准时，要及时报警，以便采取或自动采取措 施，防患于未然。 有毒有害气体的监测。有毒有害气体主要来自于工业废气的排放，汽车尾气的排 放，以及包括氟利昂冰箱在内的气体泄漏及重大泄漏事故。有毒气体直接危及到人们 的健康和生命财产安全，如氟利昂臭氧层的破坏性很大，c 0 2 的大量排放所产生的温 室效应，使全球变暖，导致一系列严重后果。有毒有害气体检测的目的是为了帮助人 们了解所处环境的安全状况，以便采取措施减少或消除这些气体的排放和泄漏。 故障前兆气体的监测。“故障前兆气体 是指所监测气体的出现或浓度发生变化 预示着一种事故可能将要发生，且浓度变化越大，预示着事故越严重，事故的主体一 般是产生这种气体的源。研究表明，地球在形成过程中，其内部就贮存了一些气体， 地球内部的活动会使其内部的气体和地球物理化学过程所产生的气体沿其断层渗透 出来，所以目前世界上很多国家都把氨( n n ) 、氦( h e ) 、氢( h ：) 、汞( h g ) 、二氧化碳( c 倪) 等当作地震的前兆来进行研究和监测；在电力工业上，大型变压器或其它充油高压电 气设备在运行过程中，由于绝缘材料的老化及局部放电和电能热损耗对绝缘材料的作 用，变压器油中就会产生多种气体，这些气体的各组分浓度与变压器等电气设备的运 行情况以及它们的故障大小和位置具有明显的对应关系。 生产和科研中气体组分检测。在有些要求较高的生产和科研中往往要求对气体浓 度和组分进行检测州，例如，监测大气中各组分浓度的变化是大气环境研究的主要 内容之一，制气工业中对有些气体需要进行纯度和组分检测，如气体激光器中的c 倪、 6 山东大学硕士学位论文 日光灯管中的填充气体等，否则器件性能和寿命就没有保障 1 2 气体检测的方法概述 1 2 1 传统的气体检测技术 传统的的气体检测技术主要有化学传感器法、荧光吸收法、气相色谱法、光谱吸 收法等阳1 。 ( 一) 化学传感器法 化学传感器所涉及的机理基本上是敏感体和环境物质间发生的一种特定的物质 交换从而导致