摘要：甲烷是瓦斯的主要成分和温室气体之一,检测甲烷浓度对于工业生产安全和人员的生命健康保障均具有重要意义。本文设计了一种用于甲烷检测的共轴石英音叉增强光声光谱系统,利用石英音叉较高的品质因数克服了传统光声光谱技术中麦克风易受环境噪声干扰的缺点。设计了小型化气室,其体积仅为3 cm×2 cm×1 cm,简化了检测系统的结构。结合波长调制技术,分析了二次谐波信号幅值与调制深度的关系,实验得到的最佳调制电压幅度为0.175 V,对应的调制深度为0.169 cm^(-1)。对甲烷浓度(体积分数为5×10^(-4)~5×10^(-3))和二次谐波信号幅值进行拟合,线性度为0.99791;采用Allan方差分析了系统的稳定性,当平均时间为5 s时,系统的检测下限为4.337×10-5。基于小体积光声池的光声光谱气体传感器具有体积小、质量轻、成本低的优点,更适合于便携式传感应用。

摘要：为了实现对火灾的早期探测,设计了一种高精度、高灵敏度CO传感器。该传感器以激射波长的为2.33μm的连续型分布反馈激光器为光源。采用波长调制光谱(WMS)技术与一次谐波量化的二次谐波检测方法相结合的研究手段,对典型环境压力下复杂、重叠的光谱吸收特征进行分离,从而实现了良好的选择性和较高的灵敏度。基于Allan Werle方差的系统长期稳定性评估分析表明,系统的检测限(LoD)为1.18μL/L;当积分时间达到205s时,系统能够实现0.08μL/L的测量精度。最后,纸、棉花以及松木等容易产生阴燃的可燃物燃烧实验表明,所研制的传感器具有良好的早期火灾探测能力。

摘要：为了实现检测系统的便携化、小型化和较强的数据处理能力,结合ARM 11嵌入式处理器和LabVIEW数据处理平台,设计并实现了一种嵌入式中红外差分甲烷检测系统。在软件方面,选用S3C6410作为主处理器、WinCE作为嵌入式操作系统,采用Platform Builder工具对该系统的内核文件进行裁剪定制以及移植安装;采用具有较强数据处理能力的LabVIEW作为数据处理平台,通过Touch Panel模块编写并生成可直接运行于WinCE系统的应用程序来处理传感信号。在硬件方面,选用双通道集成传感器IR12GJ,其输出的两路传感信号经前端电路放大和滤波处理后,由数据采集卡对其进行采集并传输给LabVIEW软件程序,经数据处理后获得甲烷浓度。基于所集成的系统,开展了气体标定、误差测量以及系统稳定性实验。实验结果显示,本系统对甲烷气体浓度的检测范围为0~6.5%,对12种气体样品的相对检测误差小于10%。对浓度为0.5%的气体样品进行了长达4小时的稳定性检测,除个别突变点外,最大误差为8.3%。本文所设计的检测系统结合了嵌入式系统体积小以及LabVIEW数据处理能力强的优点,从而具有较好的应用前景。

摘要：基于离轴积分腔输出光谱技术,设计并研制了一种红外二氧化碳(CO2)传感系统.采用中心波长为1572 nm的分布式反馈激光器,选择6359.96 cm-1处CO2的吸收谱线作为目标谱线.研制的谐振腔长度为60 cm,测得的有效光程为1200 m.采用波长调制光谱技术与直接吸收光谱技术分别测量CO2的吸收光谱,前者测得的光谱信号的信噪比为130,优于后者的信噪比80.将波长调制光谱技术与离轴积分腔技术相结合,利用LabVIEW软件提取二次谐波信号的幅值.利用配备的气体样品,开展了传感器标定、稳定性及动态响应性能测试等实验.使用纯氮气(N2)进行了稳定性测试,艾伦方差表明,当平均时间为96 s时,系统的检测下限为5.1×10-6;当气体流速为500 sccm时,实验测得的响应时间小于20 s.利用该系统开展了连续16.5 h的大气CO2浓度在线实时监测和人呼出气体中的CO2含量检测,均呈现出较好的性能.该系统具有易操作、响应快、灵敏度高等优点,未来可广泛应用于大气环境检测、医疗诊断等方面.

摘要：由于火灾阴燃过程会产生二氧化碳(CO_(2))气体,故采用基于非色散红外(non-dispersion infrared,NDIR)原理的火灾预警系统来监测CO_(2)浓度来预防火灾事故。该预警系统基于中红外吸收光谱技术,利用CO_(2)气体分子在4.26μm处的基频吸收带,结合红外宽带热光源和双通道热释电探测器,实现了中红外CO_(2)的高灵敏检测。利用配备的CO_(2)气体样品,研究了该系统对CO_(2)气体的传感特性。由于需要将火灾预警系统放在农业机械上工作,机械振动会影响系统光路结构,因此需要对装置进行减振处理。基于杜哈梅积分模型及其在求解振动系统响应问题上的应用,设计了一种减振装置,并对该装置进行了建模仿真,结果显示振动幅度减少了82%。将该减振装置进行室外振动测试,结果显示仪器振动幅度减小了86%~87%,采用减振装置时CO_(2)测量浓度的方差相较未采用减振装置时减小了50.01%,不确定度降低了29.52%。仿真分析及室外振动实验结果表明,该减振系统的减振效果良好,具有性价比高、减振结构简单等优势,具有工程应用价值。

摘要：针对可调谐激光二极管吸收光谱技术,提出用于对气体吸收信号进行分段快速傅里叶变换提取二次谐波信号的方法,将该方法与传统正交锁相放大器的谐波信号处理方法进行对比;利用MATLAB软件模拟产生乙炔气体吸收信号,分别验证正交锁相放大器和分段快速傅里叶变换算法的功能;设计基于LabVIEW软件的正交锁相放大器与快速傅里叶变换传感器信号处理平台,结合近红外1.533μm的分布反馈激光器以及自主研制的Herriot气室,建立近红外乙炔气体传感系统;利用配制的乙炔气体样品开展传感器的标定实验和Allan标准差测试实验。结果表明:两种方法都具有较好的线性拟合优度,并呈现出相似的稳定性。

摘要：利用二氧化碳气体分子在4.25μm处的基频吸收带,研制了一种差分式中红外二氧化碳检测系统.系统的光路部分由热辐射红外光源、双通道热释电探测器和球面反射镜构成,电路部分主要包括信号处理、光源驱动及主控模块.采用Tracepro软件对气室结构进行仿真和优化设计,使气体吸收光程达到30cm,改善了系统的性能.实验研究了系统对不同浓度二氧化碳气体样品的传感特性.实验结果表明,由拟合曲线得到的浓度与实际浓度误差较小,在0~5 000ppm范围内,测得二氧化碳浓度的标准差小于45ppm,而在500ppm以下,测量浓度的标准差小于5ppm;对浓度为0ppm的二氧化碳气体样品连续测量2h,测量结果的标准差约为2.8ppm;根据Allan方差分析得到系统的1σ检测下限为2.5ppm.在每个二氧化碳传感器上增加无线模块nRF24L01,构成传感器节点,在选定的日光温室大棚中构建了无线传感器网络,采集了温室大棚中的二氧化碳浓度信息,验证了所研制的传感器性能.

摘要：为更好地推进新工科建设,培养具有跨界整合能力的工程科技人才,提出一种交叉创新型模拟电路实验教学方法,设计了厚基础、活模块、多学科、主题式和创新型的实验教学内容,应用TBL-RBL(Team Based Learning-Research Based Learning)双轨教学法,融合光学、信号与信息处理等多学科的知识,以基于红绿蓝的发光二极管(RGB-LED:Red Green Blue-Light Emitting Diode)的可见光通信系统设计实验案例为例,阐述了模拟电路实验教学中交叉创新型实验的设计方法。实验案例表明,学科交叉创新实验可开阔学生的视野,培养学生解决复杂工程问题的能力和创新能力。