甲烷氣體的檢測系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

吉林大學(xué)2006屆本科生畢業(yè)論文PAGEPAGE42第一章緒論引言隨著工農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，及時、準(zhǔn)確地對易燃、易爆、有毒、有害氣體進(jìn)行監(jiān)測預(yù)報和控制已成為當(dāng)前煤炭、石油、化工、電力等部門急需解決的重要問題。同時隨著人們生活水平的提高，人類對生態(tài)環(huán)境凈化的要求也越來越高，迫切要求監(jiān)測監(jiān)控易燃易爆和有毒有害氣體，減少環(huán)境污染，確保身心健康。因此研制氣體傳感系統(tǒng)是十分重要的，已成為當(dāng)今傳感技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的一個重要前沿課題。過去研究開發(fā)的氣體傳感器主要用于家庭中常用的煤氣、液化石油氣、天然氣以及礦井中瓦斯氣體的檢測和報警，并取得了很大的成就，基本滿足了市場的需要。進(jìn)入90年代隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們生活水平的提高，對氣體傳感器的需求已有所不同。同時，隨著近年酸雨、溫室效應(yīng)、氧層破壞及環(huán)境污染等的頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響了人類的健康和生存。檢測氣體的種類由原來的還原性氣體（如H2、CH4等）擴(kuò)展到毒性氣體(如CO、NO2、H2S、NH3等)以及食物相關(guān)的氣體(如魚、肉鮮度、醋酸乙脂等)。氣體濃度的檢測主要應(yīng)用于以下幾方面：1)用于環(huán)境保護(hù)工業(yè)應(yīng)用會排放大量廢氣產(chǎn)生有毒有害氣體。CO2的超標(biāo)排放導(dǎo)致溫室效應(yīng)，使全球變暖，氣候惡化，結(jié)果是冰川融化，陸地減少，山洪爆發(fā)造成洪澇災(zāi)害，農(nóng)業(yè)病蟲害更為嚴(yán)重；Flon(氟里昂)制冷劑的泄漏對臭氧層破壞嚴(yán)重，致使人們暴露在太陽的強(qiáng)紫外線下，從而危害人們的健康；SO2、CO等氧化物則直接危機(jī)人民的健康和生命財產(chǎn)安全。有毒有害氣體檢測的目的是為了幫助人們了解所處環(huán)境的安全狀況，以便采取措施減少或消除這些氣體的排放和泄漏。(2)防火防爆在存在可燃?xì)怏w源的很多場所，經(jīng)常因可燃?xì)怏w大量泄漏引起不幸事故，例如社會生活與生產(chǎn)中存在的天然氣（CH4）、煤氣（CO）泄漏事故，礦井中瓦斯（CH3）爆炸事故等，給國民經(jīng)濟(jì)、人民生命安全造成巨大損害。因此對這些氣體檢測的可靠性和實(shí)時性至關(guān)重要，一旦氣體泄漏超過允許標(biāo)準(zhǔn)（爆炸下限）時，要及時報警，以便采取措施，防患于未然。由于甲烷氣體（CH4）是普通的液體燃料的主要成分，既是易燃易爆又有毒有害，最近研究表明它還與溫室效應(yīng)有關(guān)，其吸收紅外線能力是二氧化碳的15～20倍，據(jù)整個溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)量的15%，因此把甲烷氣體作為本文實(shí)驗(yàn)研究中的樣氣。(3)故障前兆氣體的檢測“障前兆氣體”是指所檢測氣體的出現(xiàn)或濃度發(fā)生變化兆示著某種事故將要發(fā)生，且濃度變化越大，預(yù)示著事故越嚴(yán)重。研究表明地球在形成過程中，其內(nèi)部就貯存了一些氣體，地球內(nèi)部的活動會使其內(nèi)部的氣體沿其斷層滲透出來。目前世界上很多國家都通過檢測這些微量氣體的濃度來推測地球內(nèi)部的活動，從而預(yù)測地震發(fā)生的可能性，這些氣體有氡（Rn）、氦（He）、氫（H2）、汞（Hg）、二氧化碳（CO2）等；在電力工業(yè)中，大型變壓器或其它充油高壓電氣設(shè)備在運(yùn)行過程中，由于絕緣材料的老化以及局部放電和電能熱損耗對絕緣材料的作用，變壓器中就會產(chǎn)生多種氣體，這些氣體的各組分濃度與變壓器等電氣設(shè)備的運(yùn)行狀況以及它們的故障大小和位置具有明顯的對應(yīng)關(guān)系；另外警察通過監(jiān)測司機(jī)口中乙醇（Alcohol）的濃度也屬于一種前兆檢測。要控制污染物的排放，滿足人們對生存環(huán)境越來越高的要求，必須努力做到：(1)尋找污染小的能源；(2)實(shí)時監(jiān)測污染物的濃度，作到有的放矢地控制污染物的排放。因此研制一種能夠?qū)崟r監(jiān)測、高靈敏度、高分辨率的氣體濃度傳感器不僅具有理論意義，更有服務(wù)國民經(jīng)濟(jì)，改善人民生活的現(xiàn)實(shí)意義。氣體檢測方法概述氣體濃度檢測方法很多，如化學(xué)法、氣相色譜法和光譜法等這些方法，有的已經(jīng)形成產(chǎn)品，應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中；有的還在科學(xué)研究和試驗(yàn)階段。為了研究高性能、更先進(jìn)的氣體傳感器，有必要對各種氣體檢測方法作一一概述?；瘜W(xué)氣敏傳感器化學(xué)氣敏傳感器的機(jī)理是敏感體和環(huán)境中的某種物質(zhì)發(fā)生特定的物質(zhì)交換從而導(dǎo)致敏感體電學(xué)性質(zhì)的變化。敏感體材料主要有電解質(zhì)、半導(dǎo)體氧化物和高分子聚合物。電學(xué)性質(zhì)主要指電導(dǎo)率、晶振頻率和電容。敏感體和待測氣體之間的作用主要是物理吸附和化學(xué)吸附，所謂物理吸附是指氣體分子在敏感體表面因電負(fù)性引力親和力而產(chǎn)生的吸附；化學(xué)吸附是指氣體分子在敏感體表面產(chǎn)生一種氧化還原反應(yīng)?；瘜W(xué)氣敏傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、反應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。但是，這種傳感器也存在很多缺點(diǎn)：(1)交叉敏感，即敏感體對氣體的選擇性差；(2)輸入輸出之間呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性關(guān)系，不利于數(shù)據(jù)處理；(3)穩(wěn)定性差，化學(xué)傳感器存在著溫度適應(yīng)性問題。1.2.2氣相色譜分析法氣相色譜法是色譜法中的一種。它分析的對象是氣體和可揮發(fā)的物質(zhì)。氣相色譜法實(shí)際上是一種物理分離的方法，基于不同物質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)的差異，在固體相(色譜柱)和流動相(載氣)構(gòu)成的兩相體系中具有不同的分配系數(shù)(或吸附性能),當(dāng)兩相作相對運(yùn)動時,被測物質(zhì)隨流動相一起遷移,并在兩相間進(jìn)行多次的分配,使得那些分配系數(shù)只有微小差別的物質(zhì),在遷移速度上產(chǎn)生了很大的差別,經(jīng)過一段時間后,各組分之間達(dá)到了彼此的分離.被分離的物質(zhì)順序的通過檢測裝置.就可對其進(jìn)行定性和定量分析。氣相色譜法的優(yōu)點(diǎn)是分離效能高。另一個優(yōu)點(diǎn)是選擇性高，可以對同位素、空間異構(gòu)體、光學(xué)異構(gòu)體等進(jìn)行有效的分離。第三個優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，可高達(dá)~ɡ。雖然氣相色譜法可檢測的靈敏度比較高，但是氣相色譜法的局限性主要表現(xiàn)：首先，在對被分離組分的定性工作上，如果沒有標(biāo)準(zhǔn)樣品供對照，那么定性方面將存在很多的困難；另外，這種方法很難做到在線檢測，實(shí)時性差。從取樣到分析結(jié)果出來通常不能在同一天完成。因此氣相色譜法不適合實(shí)時監(jiān)測大氣中的污染氣體。1.2.3光譜法光譜法可以分為熒光光譜法和光譜吸收法。1)熒光檢測法一些氣體分子吸收適當(dāng)能量(光能、電能、化學(xué)能、生物能等)后，分子被激發(fā)到激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)很不穩(wěn)定，將很快衰變到基態(tài)。激發(fā)態(tài)在返回基態(tài)時常常伴隨光子的輻射，這種現(xiàn)象稱為發(fā)光。熒光屬于分子的光致發(fā)光現(xiàn)象。熒光可以由被測物質(zhì)本身產(chǎn)生，也可由與其相互作用的熒光染料產(chǎn)生。被測氣體的濃度與熒光輻射的強(qiáng)度成一定關(guān)系。檢測氣體濃度時，使光源的強(qiáng)度和波長保持不變，對熒光輻射進(jìn)行掃描，測得熒光輻射的強(qiáng)度，進(jìn)而求出氣體濃度。另外，氣體濃度和熒光壽命也有關(guān)系。因此，可以通過測量熒光壽命檢測氣體濃度。2)光譜吸收檢測法光譜吸光譜吸收法通過檢測樣氣透射光強(qiáng)的變化來檢測氣體濃度。每種氣體分子都有自己的吸收譜，當(dāng)光束照射氣體時，與氣體吸收譜重疊的部分將被氣體吸收，使透射光強(qiáng)衰減。氣體吸收的光譜范圍可劃分為紅外光譜吸收、可見光譜吸收和紫外光譜吸收。1852年，Beer提出了透過氣體的光強(qiáng)與氣體濃度之間的關(guān)系，即I=I0exp(αLC)(1-1)式中I—光通過氣體后的透射光強(qiáng)I0—入射到氣體上的光強(qiáng)α—?dú)怏w的吸收系數(shù)C—?dú)怏w濃度L—光通過氣體的長度式(1-1)稱為Lambert-Beer定律，表明吸收度與吸收路徑和氣體濃度之間的關(guān)系。光譜吸收法檢測氣體濃度具有靈敏度高的特點(diǎn)，但在一般情況下，測定的是透射光和入射光的比值，當(dāng)測量非常弱的吸收時，透射信號幾乎不衰減，可能造成相當(dāng)大的誤差。如果用光纖傳感器，存在著光源和光纖的耦合問題，光源功率不可能太大。而且氣體分子的吸收譜線和光纖低損耗傳輸窗口不可能完全重合，這不但限制了光源的選擇，也使光纖氣體傳感器可測氣體的種類大大減少。所以，基于光譜吸收原理的光纖氣體傳感器在應(yīng)用當(dāng)中是有很多困難的。1.2.4氣體光聲光譜檢測技術(shù)作為光譜吸收法有益和必要的補(bǔ)充，光聲光譜法是通過檢測氣體吸收光能后產(chǎn)生的聲壓信號的大小來測量氣體的濃度。這種方法從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有一百多年的歷史了，有很多自身的特點(diǎn)。光聲學(xué)和光聲技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展如此迅速的原因是由它本身的特點(diǎn)所決定的。光聲檢測與通常的光譜技術(shù)的主要區(qū)別在于，光聲方法檢測的光聲信號是直接取決于物質(zhì)吸收光能的大小，所以反射光、散射光等對光聲檢測的干擾很小。對于弱吸收試樣則可增大入射光功率，從而提高信噪比。因此，它可以成功地用來檢測各種試樣，透明的或不透明的固體、液體、氣體、粉末、膠體、晶體或非晶態(tài)等等。光聲光譜技術(shù)的發(fā)展概況光聲效應(yīng)是1880年美國著名科學(xué)家Bell在固體中首先發(fā)現(xiàn)的。光聲光譜分析方法就是用一定頻率的調(diào)制光照射密閉的物質(zhì)組分，物質(zhì)吸收光能后，有一部分能量轉(zhuǎn)化為分子的平移動能，即分子熱能，并以聲壓的形式表現(xiàn)出來，檢測聲壓信號就可以對物質(zhì)組分進(jìn)行分析。繼發(fā)現(xiàn)固體的光聲效應(yīng)之后，Bell及其同事以及著名科學(xué)家Tyndall等在1881年各自獨(dú)立地進(jìn)行了氣體和液體的光聲試驗(yàn)，也都觀察到了同樣的效應(yīng)。但是，在此之后對這種效應(yīng)的研究出現(xiàn)了幾十年的停頓。直到二十世紀(jì)四十年代，蘇聯(lián)學(xué)者Veingerov才開始重新研究該效應(yīng)，他用一個繞有電熱絲的爐子所產(chǎn)生的熱輻射作為紅外波段的激發(fā)源，研制出世界上第一臺測量氣體濃度的光聲光譜裝置，成功的測定了混合氣體各成分的濃度。到了60年代，由于高靈敏度的微音器和壓電陶瓷檢測器出現(xiàn)以及各種激光器的問世，光聲光譜技術(shù)的檢測靈敏度實(shí)現(xiàn)了一個飛躍。1968年Kerr和Atwood首次報道了利用激光光聲光譜法測量氣體的弱吸收。單色性好，強(qiáng)度高的激光光源的利用使得光聲技術(shù)的發(fā)展向前跨進(jìn)了一大步。1973年，美國Bell實(shí)驗(yàn)室的Robin等人受到Kreuzer工作的啟示，將大功率氙燈作為光源，并與單色儀聯(lián)用，測定了從紫外到可見光范圍內(nèi)的氣體和固體的吸收光譜。在這一階段，美英日等國已先后有光聲譜儀和熱波顯微鏡產(chǎn)品問世。1980年，Gerlach和Amer根據(jù)共振式光聲腔光聲信號聲波模式和光強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種以布魯斯特角入射或無窗片的角向諧振光聲腔，該結(jié)構(gòu)不僅達(dá)到了較高的Q值，而且可以對流動式樣進(jìn)行檢測。1990年，F(xiàn).J.M.Harren和J.Reuss等人設(shè)計(jì)了一套光聲系統(tǒng)，該系統(tǒng)在以空氣為載體的條件下，對凋謝的蘭花產(chǎn)生的乙烯的檢測靈敏度達(dá)到20ppt。1997年，M.A.Gondal設(shè)計(jì)了一套用于遠(yuǎn)距離和實(shí)時檢測空氣污染物的光聲系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以用來遠(yuǎn)距離檢測汽車尾氣中的污染物。在國內(nèi)，光聲技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展。1977年，北京大學(xué)應(yīng)用光聲技術(shù)開展了大氣污染的檢測工作；中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所自1978年以來研制了兩種用于氣體和固體檢測的光聲譜儀；自從1979年以來，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、同濟(jì)大學(xué)、南京大學(xué)、南開大學(xué)等二十多個單位相繼開展了光聲技術(shù)應(yīng)用研究，研究對象包括半導(dǎo)體材料、無機(jī)極性材料、結(jié)構(gòu)材料、有機(jī)物質(zhì)、金屬及醫(yī)療診斷等。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)物理系郝綠原等用光聲光譜方法，測量了砷烷分子振動量子數(shù)為6的高分辨泛頻譜。選用鈦寶石激光器作為光源，輸出功率約1W，頻率調(diào)制范圍為4Hz～4kHz；光聲腔直徑為12cm，長為100cm，采用White腔結(jié)構(gòu)以增加有效吸收長度，檢測靈敏度達(dá)到?？傊?，這些年來光聲學(xué)和光聲技術(shù)在我國的發(fā)展是迅速的，應(yīng)用面正在不斷擴(kuò)大，其發(fā)展應(yīng)用前景令人鼓舞。光聲光譜技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用光聲學(xué)和光聲技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展如此迅速的原因是由于它自身的特點(diǎn)所決定的。光聲檢測與通常的光譜技術(shù)的主要區(qū)別在于，光聲檢測的光信號是直接取決于物質(zhì)吸收光能的大小。正因?yàn)檫@樣，所以反射光、散射光等對光聲檢測的干擾很小。對于弱吸收試樣則可增大入射光功率，從而提高信噪比。因此，它可以成功地用來檢測各種試樣，透明的或不透明的固體、液體、氣體、粉末、膠體、晶體或非晶態(tài)等等。在光聲檢測中試樣本身既是被研究的對象，又是吸收光輻射的檢測器，因此可以在一個很寬的光學(xué)和電磁學(xué)波長范圍內(nèi)進(jìn)行研究而不必改變檢測系統(tǒng)。最低檢測極限主要取決于光源強(qiáng)度，檢測器和接收放大器的靈敏度以及窗口材料的吸收。而且光聲信號是物質(zhì)分子在吸收強(qiáng)度調(diào)制的外界入射能量后，由受激態(tài)通過非輻射過程躍遷到低能態(tài)時所產(chǎn)生的，因此，它與物質(zhì)受激后的輻射過程、光化學(xué)過程是互補(bǔ)的。所以光聲效應(yīng)本身又是一種研究物質(zhì)熒光、光電和光化學(xué)現(xiàn)象的極其靈敏又十分有效的的方法。光聲效應(yīng)不僅象光譜方法那樣可以用來測定物質(zhì)的吸收譜，而且還可以來研究弛豫過程，輻射過程的量子效率以及用于測定物質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)，彈性性質(zhì)，薄膜厚度等研究。在紅外波段，光聲光譜具有其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，我們知道紅外光譜是分子同一電子態(tài)的不同振轉(zhuǎn)能級之間的躍遷。因?yàn)榉肿诱褶D(zhuǎn)能級的壽命較長，而處于振轉(zhuǎn)激發(fā)態(tài)的分子與其他分子，如本底氣體的碰撞速率較大。這樣絕大多數(shù)處于振動激發(fā)態(tài)的分子都以無輻射碰撞的形式返回基態(tài)。因而在紅外波段采用通常的熒光光譜方法來研究將損失絕大部分能量，靈敏度很低。在檢測低濃度，弱吸收物質(zhì)方面，光聲光譜技術(shù)較傳統(tǒng)的吸收法優(yōu)越得多，物質(zhì)吸收遵循Beer定律:(1-2)其中I0為入射光;I為出射光強(qiáng);l為吸收長度;a為吸收系數(shù)。吸收光譜通常是利用測量I,I0來確定吸收系數(shù)和濃度的，對于低濃度，弱吸收的物質(zhì),I與I0相差很小，檢測靈敏度很低，而光聲光譜是直接檢測物質(zhì)所吸收的能量通過增大入射光光強(qiáng):采用低噪聲檢測技術(shù)，就可以在某些痕量氣體(如乙烯,甲烷)的檢測方面達(dá)到較高的檢測靈敏度。正是基于以上這些特點(diǎn)，決定了光聲光譜技術(shù)在煤炭、石油、環(huán)保檢測、化工、冶金、氣體濃度檢測、生物工程等方面有著廣泛的用途，有著巨大的潛在市場。1.5課題的意義、目的和主要內(nèi)容甲烷(CH4)是易燃易爆氣體和多種液體燃料的主要部分,它在大氣中爆炸的下限為5.3%V,上限為15%V。及時檢測甲烷氣體及濃度,對于工礦安全運(yùn)行和人身安全有著至關(guān)重要的作用。因此對周圍環(huán)境CH4氣體進(jìn)行早期安全監(jiān)測是十分必要的。但現(xiàn)有CH4電子氣敏傳感器存在許多不足之處：傳感器容易中毒；對氣體的選擇性差；易出現(xiàn)誤報；而且系統(tǒng)需要頻繁校準(zhǔn)；此外在野外遙測時需要通過電纜連接，降低了系統(tǒng)的安全性。而采用光聲光譜法來測量微量氣體可以很好的檢測到甲烷氣體的含量。光聲光譜法是通過檢測氣體吸收光能后產(chǎn)生的聲壓信號的大小來測量氣體的濃度。這種方法從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有一百多年的歷史了，有很多自身的特點(diǎn)。例如：光聲方法檢測的光聲信號是直接取決于物質(zhì)吸收光能的大小，所以反射光，散射光等對光聲檢測的干擾很?。粚τ谌跷赵嚇觿t可增大入射光功率，從而提高信噪比。本課題的主要研究內(nèi)容：(1)研究甲烷氣體中心吸收波長及確定中心波長附近的吸收譜精細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，以選擇合適的激光源及相應(yīng)的驅(qū)動電路；(2)設(shè)計(jì)能夠檢測微弱光聲信號的電路系統(tǒng)，包括斬波電路設(shè)計(jì)，光聲腔的設(shè)計(jì)以及鎖相放大器設(shè)計(jì)等，以提高系統(tǒng)的信噪比。(3)系統(tǒng)單元電路的測試。第二章氣體光聲檢測的基本原理根據(jù)分子光譜理論，氣體分子可以吸收特定頻率的光子而使自己的平移動能，即熱能增加。熱能的增加在其它條件不變時和氣體濃度成確定關(guān)系。若這種氣體密封在氣室中，將導(dǎo)致氣室內(nèi)的壓力變化，測量氣壓的變化就可測得氣體的濃度，這就是氣體濃度光聲檢測理論。光聲傳感器可以將壓力的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化，這種傳感器具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，可以檢測到極低的氣體濃度。2.1分子結(jié)構(gòu)和分子光譜理論分子是由原子組成的，原子又由原子核和電子構(gòu)成。分子處于無休止的運(yùn)動當(dāng)中，這些運(yùn)動可以分為三種形式：電子圍繞原子核分成若干層不停地轉(zhuǎn)動；原子組成的原子對以不同頻率不同方向振動；分子作為一個整體繞其內(nèi)部若干軸線作轉(zhuǎn)動運(yùn)動。這些運(yùn)動使分子具有不同的能級，即電子能級、振動能級和轉(zhuǎn)動能級。分子的能級是離散的而非連續(xù)的。當(dāng)分子吸收一定頻率的光子能量后，會從低能級激發(fā)到高能級，稱為能級躍遷。以分子吸收光波的波長(或頻率)為橫坐標(biāo)，吸收的能量(吸光度或透光度)為縱坐標(biāo)繪制的圖，稱為吸收光譜圖，簡稱譜圖。分子吸收光子要滿足一定條件的。首先，根據(jù)量子力學(xué)理論，分子吸收的光子能量必須恰好等于分子內(nèi)某兩個能級間的能量差△E。即滿足△hhc(2-1)只有頻率或波長滿足式(2-1)的那些光子才能被分子吸收。其次,分子能級躍遷的過程是分子和電磁波交換能量的過程。在分子內(nèi)部存在著電偶極矩，電四極矩和磁偶極矩。分子與光子的相互作用就是通過光子與分子內(nèi)部的電矩和磁矩相互作用完成的。相互作用的結(jié)果是導(dǎo)致分子電矩和磁矩的變化。光子和分子相互作用而使分子內(nèi)部的電矩和磁矩發(fā)生變化需要滿足一定的條件，判斷這些條件能否滿足的依據(jù)稱為選律。選律不僅決定信號強(qiáng)度還決定允許躍遷分子吸收能量的數(shù)目，即譜圖吸收峰的數(shù)目。因?yàn)樵趹?yīng)用光聲光譜法檢測氣體濃度的系統(tǒng)中，一般利用分子的紅外光譜，所以下面主要介紹分子的紅外光譜理論。紅外光譜是由原子振動和分子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的，所以紅外光譜又稱為分子的振轉(zhuǎn)光譜。分子的結(jié)構(gòu)千差萬別，其內(nèi)部的運(yùn)動形式和原子間的相互作用非常復(fù)雜。具有最簡單的一類分子是一個分子軸的雙原子分子，而由兩個以上原子組成的稱為多原子分子?？紤]到甲烷是個多原子分子，下面只對多原子分子的振動做闡述。2.1.1多原子分子的簡正振動多原子分子的振動遠(yuǎn)比雙原子分子的振動復(fù)雜。原因是振動就是分子內(nèi)原子核的相對運(yùn)動，而任意兩個核的相對位移也將同時涉及它們與所有其余核的相對位移，這表明多原子分子的振動將涉及所有核的相對位移。對多原子分子振動轉(zhuǎn)動運(yùn)動的分析，可以得出以下結(jié)論：1)3n-6或3n-5規(guī)則原子核的運(yùn)動導(dǎo)致分子的平動,轉(zhuǎn)動和振動。分析表明，n個原子核應(yīng)有3n個獨(dú)立的運(yùn)動坐標(biāo)。描述分子的平動需要3個運(yùn)動坐標(biāo)，對于分子的轉(zhuǎn)動，直線型分子要2個獨(dú)立坐標(biāo)，非直線型分子需3個獨(dú)立坐標(biāo)。所以，用于振動的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)，非直線型分子是3n-6個，直線型分子是3n-5。這通常就稱為3n-6或3n-5規(guī)則。2)簡正坐標(biāo)和簡正振動簡正坐標(biāo)是用質(zhì)量加權(quán)的位移坐標(biāo)的線性組合。沿不同簡正坐標(biāo)進(jìn)行的振動稱為簡正振動，3n-6(或3n-5)個簡正振動常被稱為簡正模式，所有實(shí)際振動都是它們的線形組合。每個簡正模式都是簡諧振動，它們有振幅Bk和頻率k。位相bk要求在簡正振動中各個原子的位移都是同相的。簡正振動是不可約的。3)基頻、倍頻、組頻各種簡正模式的基本躍遷，即=0→=1躍遷所對應(yīng)的頻率稱為基本頻率或基頻。如果考慮到分子振動的非諧性，振動也含有頻率2i、3i，…,這些頻率稱為倍頻。此外還含有頻率i+k、i-k、2i+k，…，這些頻率稱為組合頻率。在紅外光譜中，除了基頻以外，也會出現(xiàn)倍頻和組頻。不過，由于非諧性一般是很小的，倍頻光譜與組合頻率光譜跟基頻光譜相比要弱得多。2.1.2甲烷(CH4)氣體分子的近紅外吸收光譜CH4分子具有4個固有的振動：，，，。每一個固有振動對應(yīng)一個光譜吸收區(qū)，它們的波長分別是3.43μm，6.53μm，3.31μm和7.66μm。在近紅外區(qū)，有許多泛頻帶和聯(lián)合帶。1933年，諾里斯和昂格爾首先發(fā)現(xiàn)了CH4分子的V2+2V3混合帶；1983年，日本Tohoku大學(xué)利用InGaAspLED和鍺探測器對其進(jìn)行了測量，結(jié)果表明：在1.33μm附近的Q支帶線是相當(dāng)強(qiáng)的，其吸收峰出現(xiàn)在1.3312μm處，用0.3nm分辨率的濾光片測的吸收系數(shù)為。圖2-1為甲烷氣體1.33μm附近的吸收譜線。圖2-1甲烷氣體1.33μm附近的吸收譜線Fig.2-1Absorptionlineofmethanegasatabout1.33μm1984年，該大學(xué)又對CH4分子的2V3諧波段進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)在1.66μm附近的Q支帶線的光譜帶寬約為3nm，最大吸收波長為1.6654μm，分辨率為0.3nm的情況下，測的吸收系數(shù)為。圖2-2為甲烷氣體1.66μm附近的吸收譜線。圖2-2甲烷氣體1.66μm附近的吸收譜線Fig.2-2Absorptionlineofmethanegasatabout1.66μm對于光波波長的選擇考慮了以下幾點(diǎn)：1）：氣體的標(biāo)準(zhǔn)吸收光譜位于2.5～25μm的中紅外區(qū)，因此需要紅外光源。雖然鉛鹽激光器可以產(chǎn)生這一波段上的光，但光源和探測器都需要低溫制冷，價格昂貴，使用不方便。此外，這一波段上石英光纖損耗太大，處于石英光纖的高衰減區(qū)，而紅外光纖技術(shù)又不成熟，因而這一吸收帶不適于光纖傳感系統(tǒng)。但其結(jié)合帶V2+2V3和泛頻帶2V3分別位于1.3μm和1.6μm附近，在石英光纖的低損耗區(qū)光源技術(shù)也比較成熟，是目前技術(shù)條件下的最佳選擇。可以選用這兩個波長的LD光源來設(shè)計(jì)光纖傳感系統(tǒng)。從甲烷氣體的譜圖還可以看出，甲烷氣體在1.6μm波段的吸收強(qiáng)度遠(yuǎn)大于1.3μm波段的吸收強(qiáng)度，應(yīng)該選用該波長處的LD。但就目前來說，1.6μm波段的LD造價較高，市場上也不容易買到，而1.3μm波段的光源處于通信波段，且更便宜，更適于將來的應(yīng)用。2）：考慮到CH4在此處有強(qiáng)吸收。3）：考慮到在此處，對其他氣體如水蒸汽、二氧化碳無明顯吸收。2.2氣體光聲檢測原理簡介氣體光聲光譜是利用光聲效應(yīng)來檢測微量氣體濃度的一種方法。圖2-3展示了氣體光聲檢測系統(tǒng)原理圖。如下圖所示，一束激光經(jīng)過斬波器調(diào)制后被光聲池內(nèi)的待檢測氣體吸收，該氣體分子吸收光能而被激發(fā)到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)分子通過無輻射碰撞弛豫至基態(tài)時，將釋放一定的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w分子的平動動能。氣體分子的平動動能升高意味著溫度的升高，當(dāng)容器為密閉時就意味著壓力的升高。當(dāng)光束被一定頻率的斬波器調(diào)制時，則壓力會隨斬波器頻率周期性變化。光聲池頂部的微音器將檢測到該聲壓并把它轉(zhuǎn)換成電信號。可見光聲信號的產(chǎn)生和檢測是一個光、熱、聲、電的能量轉(zhuǎn)換過程。圖2-3氣體光聲檢測系統(tǒng)Fig.2-3SystemofgasdetectionbasedonPhotoacousticEffect2.2.2光的吸收產(chǎn)生光聲信號的第一步是被檢測氣體吸收一定調(diào)制頻率的光能量，被吸收的能量在氣體中形成一個周期性變化的熱源，也即是聲源。設(shè)H(r,t)為吸收光所產(chǎn)生的熱源，I(r,t)為入射光強(qiáng)，則有：H(r,t)=I(r,t)(2-2)式中——吸收常數(shù)()，式(2-2)在下面兩種條件同時滿足時才能成立。1)入射光強(qiáng)足夠小，以至于吸收躍遷是非飽和的。2)入射光強(qiáng)隨時間的變化率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于吸收能到熱能的轉(zhuǎn)化率。將(2-2)式進(jìn)行傅立葉變換有:H(r,)=I(r,)(2-3)下面將根據(jù)速率方程來推導(dǎo)H(r,t)的表達(dá)式。光強(qiáng)為I(r,t)，頻率為的光束，受頻率調(diào)制后入射到密閉的裝有某種氣體的光聲腔,將有一部分光能被氣體吸收,從而使氣體分子從基態(tài)E0躍遷到激發(fā)態(tài)E1。設(shè)某一時刻氣體分子濃度為N（分子數(shù)/）。處于激發(fā)態(tài)E1的分子濃度為N1。dN1表示N1隨時間的變化率，則dN1滿足如下公式dN1/dt=-N1(B10+)+(N-N1)B10(2-4)式中B10——分子由E0到E1或E1到E0的受激輻射愛因斯坦系數(shù)，B10=；式中：S——E1和E0之間躍遷的譜線強(qiáng)度△——躍遷的譜線寬度c——分子離開E1的無輻射（或碰撞）躍遷馳豫時間，是激發(fā)態(tài)無輻射躍遷幾率Anr的倒數(shù)。r——分子離開E1的輻射躍遷馳豫時間，是激發(fā)態(tài)輻射躍遷幾率Ar的倒數(shù)。式(2-4)忽略了在基態(tài)E0上分子通過碰撞而激發(fā)到E1的幾率，這在室溫條件下是合理的。如果光強(qiáng)的調(diào)制頻率滿足(2-5)則可以認(rèn)為dN1/dt=0由式(2-4)可以得到(2-6)從(2-6)可看出：當(dāng)入射光強(qiáng)I(r,t)滿足2B10?時，N1=0.5N，出現(xiàn)飽和吸收。我們不考慮飽和吸收的情況，而總是使入射光強(qiáng)度I(r,t)滿足2B10?，則式(2-6)可以表示為(2-7)式(2-7)稱為激發(fā)態(tài)的分子濃度方程。處于激發(fā)態(tài)E1的分子將以幾種方式返回到基態(tài)E0，其中無輻射(或碰撞)躍遷返回基態(tài)將使E1-E0=h變成平移動能，即導(dǎo)致碰撞分子的速度增加。這種平移動能在光聲腔中形成一熱功率密度源H(r,t)，可以表示為H(r,t)=N1（2-8）由（2-8）、（2-7）和B10的表達(dá)式可以得到：（2-9）令則式（2-9）可以簡寫為H(r,t)=NI(r,t)=I(r,t)（2-10）式中——分子吸光截面積,對于確定的入射波長,是一常數(shù)。由式(2-9)或(2-10)可以看出：當(dāng)光強(qiáng)I(r,t)受頻率調(diào)制后，熱功率密度源H(r,t)也以同樣的頻率變化。當(dāng)光源的強(qiáng)度和頻率保持不變時，H(r,t)和氣體分子濃度N成正比關(guān)系。光聲信號的激發(fā)由氣體定律可知：在密閉光聲腔內(nèi)，周期性變化的熱功率密度源H(r,t)將使腔內(nèi)氣體壓力發(fā)生周期性變化，即聲壓P。聲壓強(qiáng)可以表示為P=P-P0，其中P為總壓強(qiáng)，P0為平均壓強(qiáng)。若腔內(nèi)氣體近似為理想狀態(tài)，則其波動方程為：（2-11）式中——腔內(nèi)氣體的聲速——?dú)怏w的定壓熱容和定體積熱容比,CP/CV式(2-11)中沒有考慮熱傳導(dǎo)和粘滯等阻尼,對其進(jìn)行傅立葉變換,得（2-12）式中P（r,t）=∫p(r,)exp(-it)dH（r,t）=∫h(r,)exp(-it)d式(2-12)為非齊次方程,而且H（r,t）的空間分布很難用數(shù)學(xué)表達(dá)式給出，用傳統(tǒng)的求解偏微分方程的方法很難求解。所以我們可以尋找一個滿足一定條件的函數(shù)系Pj（r）（稱為簡正模式），然后將P(r,)在這個函數(shù)系中展開。下面首先給出簡正模式Pj（r）的解的表達(dá)式。簡正模式Pj（r）是由邊界條件決定的。如果光聲腔是剛性的，垂直于腔壁的聲速分量在腔壁上應(yīng)等于零。設(shè)光聲腔為圓柱型結(jié)構(gòu)，則有▽Pj（a）∣n=0（2-13）式中n——光聲腔壁的內(nèi)法線單位向量a——光聲腔的半徑另外，Pj（r）還應(yīng)該滿足（2-14）式中——簡正模式Pj（r）的復(fù)數(shù)共軛j——第j階簡正頻率Vc——光聲腔的體積在圓柱坐標(biāo)下，式(2-14)中的第一式可以寫成（2-15）式(2-14)的解的一般形式如下(2-16)式中Jm，Nm——第一，第二類貝塞耳函數(shù)考慮邊界條件可以得到當(dāng)r→0時，Nm→∞，則Br=0；2）Kz=kπ/l，其中k為非負(fù)整數(shù)，l是光聲腔的長度；3）Kr=πmn/a，mn是方程dJm/dr∣r=a=0第n個根。這樣，式(2-16)可以改寫為（2-17）簡正頻率j可以由下式計(jì)算（2-18）式中，j=（mnk），其中m，n，k分別為環(huán)向，徑向和軸向模式數(shù)。Amnk——?dú)w一化參數(shù)通常當(dāng)激勵光源沿光聲腔的中心軸入射而且氣體的吸收很微弱時，在光聲腔內(nèi)不會激發(fā)出環(huán)向和軸向變化的模式，而只產(chǎn)生徑向變化的高次激勵模，所以可以認(rèn)為k=m=0。此時Pj（r）的表達(dá)式可以寫成：現(xiàn)在P(r,)就可以在簡正模式Pj（r）中展開（2-19）將式(2-19)代入式(2-12)，并考慮到熱傳導(dǎo)和粘滯等阻尼項(xiàng)的修正時可以求出An（）（2-20）式中Qn——簡正模式pn（r）的聲共振品質(zhì)因子將式(2-10)代入式(2-20)得（2-21）從式(2-21)可以看出：1)當(dāng)調(diào)制頻率低于光聲腔的最低階模式的簡正頻率時，光聲腔工作在n=0(n=0)的平面波模式，這時（2-22）式中為平面波模式的阻尼系數(shù)，它是由氣體到腔體壁面的熱傳導(dǎo)所決定的。若腔體是一半徑為a的圓柱腔，可由下式估算（2-23）在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，空氣的熱擴(kuò)散率g=0.3/s，0，Cp，g分別為腔內(nèi)氣體的密度,定壓熱容及熱導(dǎo)率。式(2-22)給出了非諧振式光聲腔的光聲信號的表達(dá)式，它表明入射光功率越大，腔體體積越小，調(diào)制頻率越低，光聲信號就越大。2)當(dāng)調(diào)制頻率等于光聲腔的第n階簡正頻率n時，光聲信號幅值A(chǔ)n（n）將達(dá)到一個極大值，由式(2-21)可以得到（2-24）通常把工作在簡正模式上的光聲腔稱為諧振式光聲腔。比較式(2-22)和式(2-24)可以發(fā)現(xiàn)：1)由于駐波的放大作用，雖然諧振式光聲腔工作在較高的頻率下，An（n）可能比A0（）還要大；2)品質(zhì)因子Qn越高，An（n）也就越大；3)諧振式光聲腔的光聲信號An（n）的大小與入射光束I(r,t)和簡正模式Pj（r）之間的耦合狀況密切相關(guān)。2.2.4微音器的電信號的輸出為了能接收到聲壓的變化，一般采用微音器來接受聲壓的變化。微音器的簡單工作原理如圖2—4所示圖2—4：微音器的簡單工作原理Fig.2-4Workingprincipleofsoundpick-up微音器有一個接受聲波的金屬振膜作為力學(xué)振動系統(tǒng)。其振動方程為：（2-25）其中m為金屬振膜質(zhì)量，為阻尼，為彈性系數(shù)，為作用于金屬振膜的外力。金屬振膜與背極形成一靜態(tài)電容，這個電容串聯(lián)接到有直流電源Vb和負(fù)載電阻Rb的電路中，當(dāng)金屬振膜受聲波的作用力作用時，就產(chǎn)生位移，從而使金屬振膜與背極間已形成的電容發(fā)生變化。這一電容量的變化導(dǎo)致負(fù)載電阻中電流的相應(yīng)的變化。由此在負(fù)載電阻上產(chǎn)生了與聲波頻率相應(yīng)的交變電壓的輸出。由參考資料給出的計(jì)算結(jié)果：（2-26）式中為金屬振膜的振動頻率，為品質(zhì)因數(shù).為振膜的面積，d為靜態(tài)時振膜與背極間的距離。一般，接近1，這樣，輸出電壓與工作頻率無關(guān)，可以在很寬的工作范圍內(nèi)均勻的響應(yīng)。第三章氣體光聲檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1光聲光譜式氣體濃度傳感器總體設(shè)計(jì)光聲光譜式氣體濃度傳感器總體設(shè)計(jì)的原理框圖如圖3-1所示，可以分為以下幾個部分：1)激勵光源部分功能是產(chǎn)生調(diào)制的激光光束，入射到光聲腔以產(chǎn)生光聲信號。主要包括激光光源，光源驅(qū)動和機(jī)械斬波器。2)信號發(fā)生和調(diào)制部分這一部分是光聲光譜式氣體濃度傳感器的主體部分，功能是產(chǎn)生光聲信號，并通過拾音器轉(zhuǎn)換成電信號。主要包括光聲腔，拾音器等。3)信號處理部分主要功能是將拾音器產(chǎn)生的電信號經(jīng)過放大器、帶通濾波器和鎖相放大器的處理后，由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到微機(jī)系統(tǒng)，以計(jì)算和顯示氣體濃度。本章主要介紹系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括光源驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)、機(jī)械斬波器的設(shè)計(jì)、光聲腔的設(shè)計(jì)、鎖相放大部分的設(shè)計(jì)等等。激光光源激光光源機(jī)械斬波光聲腔光源驅(qū)動鎖相放大A/D轉(zhuǎn)換51單片機(jī)圖3—1氣體光聲檢測系統(tǒng)框圖Fig.3-1Schematicdiagramofgasconcentrationdetectionsystem3.2激光光源部分3.2.1光源的選擇及性能根據(jù)第二章分析可知，目前光聲氣體傳感器的研究主要集中在近紅外波段，考慮氣體在泛頻帶或聯(lián)合帶的吸收情況，本系統(tǒng)所選甲烷氣體吸收波長為1.33μm。對光源的要求包括以下幾個方面：輸出中心頻率與甲烷氣體的吸收光譜特性相吻合；溫度特性良好；單模運(yùn)行；輸出功率足夠大且在閥上范圍內(nèi)與注入電流存在良好的線形關(guān)系。激光器按工作物質(zhì)不同，可分為氣體激光器、液體激光器、固體激光器和半導(dǎo)體激光器。氣體激光器通常用于高度相干的系統(tǒng)。最常用的氣體激光源有：工作波長為0.633μm或1.15μm的氦氖激光器，工作波長為10.6μm的二氧化碳激光器。氣體激光器是用某種形式的放電來激勵，即在受激發(fā)射前，激光媒質(zhì)中原子的較高能級都被填滿。這種放電使激光腔中的原子電離，形成離子體。半導(dǎo)體激光器和其它激光源有所區(qū)別。一般固體激光器和氣體激光器的發(fā)光是能級之間躍遷產(chǎn)生的，而半導(dǎo)體激光器的發(fā)光是能帶之間的電子—空穴對復(fù)合產(chǎn)生的。激勵過程是使半導(dǎo)體中的截流子從平衡狀態(tài)激發(fā)到非平衡狀態(tài)的激發(fā)態(tài)。非平衡激發(fā)態(tài)的非平衡載流子回到較低的能量狀態(tài)或基態(tài)而發(fā)出光子的過程，就是輻射復(fù)合過程。半導(dǎo)體激光器要產(chǎn)生激光，應(yīng)滿足以下條件：1）要產(chǎn)生足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；2）要有諧振腔，能起到光反饋的作用，形成激光諧振；3）還需要滿足閥值條件，即增益要大于總的損耗。由于同質(zhì)結(jié)激光器的閥值電流很高，只能在脈沖狀態(tài)下工作。在室溫下連續(xù)工作是需采用雙異質(zhì)結(jié)激光器。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中用的是波長為1.33μm的分布式反饋抑制（DFB）的LD，這種DFBLD的I一般比普通的LD的要小，而且中心波長也可以通過改變注入電流來調(diào)節(jié)，提高了精度。LD的驅(qū)動電路一部分為LD提供穩(wěn)定的工作電流。光源光功率P穩(wěn)定至關(guān)重要。半導(dǎo)體激光器輸出光功率是其驅(qū)動正向電流I的函數(shù)，當(dāng)I加時，其輸出光功率隨之增加，但I(xiàn)引起激光器的發(fā)熱，使其溫度升高，結(jié)溫升高又使其輸出光功率減小。其工作結(jié)溫差為△QJ=Qjmax–Qjmin=CPD(1-)（3—1）式中C——與器件有關(guān)的系數(shù)；PD——激光器產(chǎn)生的損耗功率（mW）；K——波爾茲曼常數(shù)；T——25℃t——驅(qū)動電流的作用時間（ms）。激光器的光功率衰減與結(jié)溫度的關(guān)系為（3—2）式中AD——光功率衰減率；k——與激光器材料有關(guān)的常數(shù)。要保證輸出功率的穩(wěn)定，就要求激光器的驅(qū)動源具有驅(qū)動激光器工作、穩(wěn)定激光器溫度和自動控制發(fā)光功率的功能。圖3-2顯示了本實(shí)驗(yàn)的激光器驅(qū)動電路。圖中激光驅(qū)動部分實(shí)現(xiàn)電壓—光的轉(zhuǎn)換。其中可調(diào)電阻Ra，Rb用來控制兩個級連三極管的輸入電流，從而控制流過半導(dǎo)體激光器的電流的大小。三極管Q1和Q2級連的目的是為了增大集電極的輸出電流；穩(wěn)壓二極管把電壓穩(wěn)定到3.5V以避免Vcc的波動對輸出電流的影響。自動功率控制采用光電二極管探測激光器的光功率，當(dāng)光源波動引起激光光功率波動時，A點(diǎn)的電位發(fā)生變化，經(jīng)過差動放大后，改變Q1的基極電流，從而起到控制激光二極管功率的作用。圖3-3為激光的溫度控制單元電路圖。TEC為溫度控制器，TEC的工作由TM控制。熱敏電阻TM具有負(fù)溫度特性。當(dāng)激光二極管溫度升高時，TM減小，放大器負(fù)端電位降低，與正斷比較輸出為正電壓，且這一電壓被穩(wěn)壓管鉗定在2.7V，TEC制冷。激光二極管溫度下降。圖3-2LD光源的驅(qū)動電路Fig.3-2Laserdrivesourcecircuit圖3-3LD光源的溫度控制電路Fig.3-3LDtemperaturecontrolcircuit3.3光學(xué)機(jī)械斬波設(shè)計(jì)前面介紹了LD的直流穩(wěn)定過程，它從電路控制的角度保證LD輸出功率的穩(wěn)定，同時和溫度控制電路一起完成穩(wěn)定LD輸出頻率的任務(wù)。這里討論LD出來的光信號的交流調(diào)制問題，同樣交流信號的幅值和頻率的穩(wěn)定性是該部分電路最基本的要求。在光電探測系統(tǒng)中,攜帶被測信號的光信號和其它雜光干擾信號及電子噪聲信號會一起進(jìn)入系統(tǒng)。有時被測光信號本身就很微弱,加上光電傳感器對某些波段范圍內(nèi)的光信號響應(yīng)不夠而使被測信號被大量的噪聲背景所淹沒。為從背景噪聲中檢測出有用信號和提高系統(tǒng)的抗干擾能力,必須對光信號進(jìn)行各種預(yù)處理。其中光學(xué)調(diào)制技術(shù)在光電檢測系統(tǒng)中起著重要的作用。其工作原理是利用光學(xué)斬光盤對被測光信號加以調(diào)制,得到具有一定頻率的交變信號,同時利用同一斬光盤產(chǎn)生一個與被測信號調(diào)制頻率相同、相位差不變的參考光信號。經(jīng)光電轉(zhuǎn)換變成電信號后分別加到相敏檢波器(PSD)上。把一束輸出功率恒定的連續(xù)激光變成光功率時變的光束以供入射試樣，可以采用多種調(diào)制技術(shù)，例如機(jī)械斬波調(diào)制、電光調(diào)制、聲光調(diào)制以及電源調(diào)制等。在調(diào)制頻率不太高的情況下，機(jī)械斬波器具有調(diào)制效率高，適用于任何波長光束的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械斬波器通常由一個邊緣開有若干通光孔的斬波盤、一個轉(zhuǎn)速穩(wěn)定和可控的電機(jī)以及電子控制裝置三部分組成。當(dāng)一束功率不變的連續(xù)光波通過旋轉(zhuǎn)的斬波盤后，由于斬波盤對光速的通和斷的作用，使出射光束成為功率時變的光束。本次實(shí)驗(yàn)中我們自制了一個斬波盤，這種斬波器在一圓盤上等角度分布通光孔。圓盤由步進(jìn)電極驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，采用的電機(jī)為35BYGB2相混合步進(jìn)電機(jī)，它的電子控制部分是WZM—2H042Ma二相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器。另外，這種斬波器還能輸出參考信號。經(jīng)過斬波器的交流調(diào)制后，輸出及參考信號方波的占空比可調(diào)節(jié)為1∶1。機(jī)械斬波器的缺點(diǎn)是由于高速轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生機(jī)械振動和氣流噪聲，對檢測的影響較大。3.4光聲池的設(shè)計(jì)3.4.1光聲池是光聲信號的發(fā)生源，它的靈敏度對于光聲信號的采集非常重要。提高系統(tǒng)靈敏度的一個重要途徑是降低背景噪聲信號，它是由入射輻射在光聲池窗口和池壁上引入的。可以認(rèn)為在光聲池的容積一定時，背景噪聲信號的幅值與光聲池的長度成反比。因此降低背景噪聲信號的一個重要方法是加長光聲池的長度。但由于加長光聲池的長度也會降低信號的幅值，因此光聲池的長度有一個最佳值?？紤]到制造成本和傳感器的小巧，方便使用，本文選擇腔長L15cm光聲池材料的選擇光聲池材料的選擇至關(guān)重要,它直接關(guān)系到氣體的阻尼,粘滯和熱損耗,對提高檢測靈敏度影響極大。光聲池材料一般選用熱傳導(dǎo)系數(shù)較大的鋁、黃銅及不銹鋼等。表3-1給出了幾種材料性能的比較。雖然銅具有大的楊氏模量和泊松比，但是銅的熱導(dǎo)率和比重相對鋁來講很大，當(dāng)光聲腔壁很薄時，會出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象。綜合考慮材料性能和易加工性，本系統(tǒng)采用鋁制光聲腔，傳感區(qū)鋁箔厚度為50m。表3-1幾種材料的性能比較Table3-1Comparisonbetweensomematerial’scharacteristics3.4隨著高靈敏度光聲光譜技術(shù)的發(fā)展，光聲池作為光聲光譜儀的一個重要組成部分也得到了較大的發(fā)展。光聲池是樣品氣體在其中吸收輻射能量而產(chǎn)生壓力波，由微音器轉(zhuǎn)換成電信號的部分。具體的光聲原理已經(jīng)在第二章有了詳細(xì)的闡述，而光聲池在整個系統(tǒng)中起著核心作用。池的結(jié)構(gòu)和材料對檢測靈敏度起著重要作用。光聲池的結(jié)構(gòu)不盡相同，各有千秋，但是設(shè)計(jì)的一般原則是相同的，即可歸納為以下幾條:1）光聲池盡量與外界聲音隔絕。2）盡量減少入射光與與池壁，池窗及微音器發(fā)生直接作用，產(chǎn)生背景信號。3）盡量增強(qiáng)光聲池內(nèi)照射樣品的輻射光強(qiáng)或設(shè)法增強(qiáng)池內(nèi)的聲信號以提高信噪比。4）池內(nèi)表面要光潔，使之對氣體的吸附和解吸都小。光聲池的分類目前光聲池可以分為共振式和非共振式兩大類。1.非共振式光聲池在光學(xué)上和聲學(xué)上都不起振的光聲池稱為非共振式光聲池。由式可知，在非共振式探測下，光聲池內(nèi)聲壓處處相同。當(dāng)調(diào)制頻率低于光聲腔的最低階模式的簡正頻率時，光聲腔工作在n=0(n=0)的平面波模式，這時（3—3）可見對非共振式光聲池而言，聲信號強(qiáng)度與光聲池半徑的平方及調(diào)制頻率成反比,與入射光功率成正比。通常采用小的池半徑是有利的，但實(shí)際上，半徑太小時，池壁產(chǎn)生的背景信號嚴(yán)重。為了提高光聲信號，必須考慮以下諸因素:1)增加吸收的功率，對于確定的式樣，在非飽和吸收的情況下，可以通過提高入射光的功率來增大信號。2)選用熱容比大的不吸收氣體(如He,Xe,Ar,N2等氣體)作為載氣與被測式樣混合，也能提高光聲信號。3)在結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡量減小腔體的橫截面S，即減小腔體體積。但過分小的橫截面，不僅不利于光束的準(zhǔn)直調(diào)整，增加傳聲器安裝的難度，而且使橫向熱傳導(dǎo)的影響增大，因?yàn)闊嶙枘釙r間與截面的半徑成正比，所以R的減少會使從而使變大，其結(jié)果使光聲信號在低頻時反而有減小的可能。4)增大傳聲器的接收面積，使電信號增大，這也是一個十分有效的方法，這是因?yàn)榍粌?nèi)各點(diǎn)的聲信號是同相的。非共振式光聲池在某些方面具有一定的優(yōu)點(diǎn)。如結(jié)構(gòu)簡單，使用方便及檢測靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。但是它也存在較為嚴(yán)重的缺點(diǎn):1)不能對流動的式樣氣體進(jìn)行連續(xù)測量。2)由于電噪聲，環(huán)境噪聲以及氣流的瑞流噪聲等都有1/f的頻率特性，因此，工作在低調(diào)制頻率對提高檢測信噪比是不利的。3)本底信號較大。2.共振式光聲池共振式光聲池又分為兩類，一類是光學(xué)共振，另一類是聲學(xué)共振。光學(xué)共振的目的是在不改變?nèi)肷涔鈴?qiáng)的情況下，提高光聲池內(nèi)的輻射光強(qiáng)，從而獲得較大的光聲信號。目前絕大多數(shù)均采用聲學(xué)共振式光聲池。聲共振式光聲池的優(yōu)點(diǎn)是:1)體表比增大，有利于對吸附性較強(qiáng)的氣體進(jìn)行檢測。2)激發(fā)的聲波場具有一定的空間分布，通過把氣體進(jìn)出口放在節(jié)點(diǎn)上，可以實(shí)現(xiàn)流動式的實(shí)時檢測。3)調(diào)制頻率較高有利于電子檢測和克服環(huán)境噪聲的影響。其缺點(diǎn)是:1)從非共振到共振聲池，體積增大，工作頻率增高。是能量的積累或者說諧振的駐波放大補(bǔ)償了光聲信號的減小〔因?yàn)轶w積增大了)，而這是以降低了系統(tǒng)反應(yīng)速度為代價的。2)諧振頻率是隨著氣體溫度和組分而變化的。同時光聲信號幅值又圍繞著諧振中心頻率迅速改變位相。前者對Q值、聲池提出溫度穩(wěn)定的要求;后者要求電子系統(tǒng)實(shí)施矢量檢測。3)只限于在固定頻率才能共振。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，鑒于時間，經(jīng)費(fèi)，技術(shù)等方面的限制，采用了非共振式光聲池，實(shí)物見附錄1。因?yàn)橄鄬Χ?，設(shè)計(jì)比較簡單，機(jī)械加工也比較容易，成本相對較低，但在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高精度，一般都采用共振式光聲池。因此有必要對共振式光聲池的設(shè)計(jì)從理論上加以掌握。Q值(聲品質(zhì)因數(shù))是聲共振光聲池的一個重要指標(biāo)，它由池的結(jié)構(gòu)，氣體的粘滯系數(shù)和熱傳導(dǎo)系數(shù)決定。氣體的導(dǎo)熱性和粘滯性將聲波的有序運(yùn)動轉(zhuǎn)化成熱的無序運(yùn)動，使聲波在池內(nèi)傳播過程中有聲損耗。聲損耗可分為體積損耗和表面損耗。對于密度均勻的氣體其內(nèi)部體積損耗可以忽略不記，而主要應(yīng)考慮表面損耗。表面損耗是由于聲波與光聲池邊界的作用而引起的，聲駐波與池內(nèi)壁的相互作用將損失大量聲能。這是因?yàn)楣饴暢貎?nèi)壁的熱傳導(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體的熱傳導(dǎo)系數(shù)，這樣在池內(nèi)壁的很薄的范圍內(nèi)會產(chǎn)生熱損耗，同理在池內(nèi)壁處氣體的速度成為0也形成粘滯損耗。表面損耗可以分為:1)在平滑內(nèi)表面的邊界層內(nèi)的粘滯和熱損耗。2)在表面障礙處波散射損耗。3)在微音器膜片上的損耗。4)由于池壁的彈性形變引起的波反射損耗。在實(shí)驗(yàn)中，一般讀采用縱向共振式光聲池，共振管兩端都設(shè)計(jì)了緩沖腔，其長度為聲共振管的二分之一即四分之一波長，作用是抑制窗片吸收引起的相干噪聲。共振管為鋁制，內(nèi)表面嚴(yán)格拋光，長度為二分之一波長，為開端共振腔。光聲池外殼采用不銹鋼材料(由于其良好的耐腐蝕性和穩(wěn)定性)。即當(dāng)我們選擇適當(dāng)?shù)膭傂圆牧暇_加工時，第二和第四項(xiàng)損耗可以忽略不計(jì)。由于微音器膜片面積很小，相對于池內(nèi)壁表面積可以忽略不計(jì)。在光滑表面的邊界層內(nèi)的粘滯和熱損耗僅在器壁附近很薄區(qū)域產(chǎn)生，可以最大限度的避免能量損耗。在基于共振式光聲池的系統(tǒng)中，一般會遇到以下問題，具體解決方案見下表。問題解決方案窗吸收產(chǎn)生的背景信號1.緩沖室長采用1/4波長2.緩沖室半徑大于3倍的諧振腔半徑。諧振腔內(nèi)壁對光和熱的收吸1.采用大內(nèi)徑的諧振腔2.內(nèi)壁采用高導(dǎo)熱系數(shù)和反射率的材料制造，如可以采用內(nèi)壁鍍金的諧振腔斬波器噪聲1.使斬波器盡量遠(yuǎn)離光聲池2.對斬波器進(jìn)行穩(wěn)定性控制3.采用較低品質(zhì)因數(shù)較高池常數(shù)的光聲4.斬波器的斬波片的機(jī)械加工尺寸一定要精密激光功率的不穩(wěn)定性1.盡量使氣體流速穩(wěn)定2.使激光器盡量工作在穩(wěn)定的溫度環(huán)境下實(shí)驗(yàn)室噪聲1光聲池外套采用厚重的材料和結(jié)構(gòu)2對光聲池進(jìn)行聲屏蔽3.5微音器的選擇經(jīng)常用的微音器有電容式和駐極體式，其主要功能是把聲能轉(zhuǎn)化成電能，所以它必須反映出壓力的變化或是粒子速度的變化。由于光聲信號相當(dāng)微弱，所以選用的微音器必須相當(dāng)靈敏，我們采用的是型號為HS14423型測試電容微音器，它的工作頻率范圍為20Hz—20KHz，靈敏度為30mv/Pa。3.6微弱信號檢測技術(shù)隨著光電技術(shù)的飛速發(fā)展，迫切要求檢測愈來愈微弱的光電信號。這時用增大放大器的放大量是沒有效果的，因?yàn)樾盘栄蜎]在噪聲中，兩者同時都被放大。在信息論和隨機(jī)過程理論研究的基礎(chǔ)上，通過對信號噪聲本質(zhì)的研究，發(fā)展了從噪聲中提取信號的微弱信號檢測技術(shù)?，F(xiàn)在，微弱信號檢測技術(shù)成為與噪聲作斗爭的強(qiáng)有力手段，廣泛應(yīng)用在力學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、天文學(xué)、地質(zhì)學(xué)等多種學(xué)科領(lǐng)域，并取得了卓有成效的成果，成為促進(jìn)各學(xué)科進(jìn)步的得力工具。微弱信號檢測技術(shù)的理論、方法、技術(shù)還在不斷的發(fā)展，在各個學(xué)科的應(yīng)用也在不斷的深入。3.6.1微弱信號檢測的基礎(chǔ)是被測信號具有時間軸上前后相關(guān)的持性。相關(guān)函數(shù)是表征原函數(shù)的線性相關(guān)的度量。因此用直接計(jì)算相關(guān)函數(shù)的方法，就可以實(shí)現(xiàn)從噪聲中檢測被淹沒的信號。設(shè)函數(shù)x（t）則它在時間t和t兩時刻的自相關(guān)函數(shù)為（3—4）如果是兩個函數(shù)x（t）和y（t）時，則互相關(guān)函數(shù)（3—5）自相關(guān)函數(shù)具有如下性質(zhì)：1)當(dāng)x（t）為隨機(jī)過程時，x（t）內(nèi)不含周期性的分量，其自相關(guān)函數(shù)Rxx（）當(dāng)=0時最大；隨著的增加Rxx（）單調(diào)下降；當(dāng)→∞時Rxx（）趨于函數(shù)x（t）平均值的平方，如果平均值為零，則Rxx（）=0，表示不相關(guān)。2)周期函數(shù)的自相關(guān)函數(shù)也是周期函數(shù)，它包含了原函數(shù)的基波及所有諧波分量?；ハ嚓P(guān)函數(shù)是度量兩個函數(shù)x（t），y（t）之間相關(guān)性的函數(shù)。與自相關(guān)函數(shù)相似，它還有如它還有如下性質(zhì)：1)如果x（t）和y（t）互相完全沒有關(guān)系，則Rxy()＝0，稱x（t）和y（t）不相關(guān)。如果兩個隨機(jī)過程的發(fā)生互相獨(dú)立(如信號與隨機(jī)噪聲)，則互相關(guān)函數(shù)是一個常數(shù)，它等于兩個隨機(jī)函數(shù)的平均值的積，若其中有一個平均值是零，則互相關(guān)函數(shù)處處為零。2)如果x（t），y（t）的是具有相同基波頻率的兩個周期性函數(shù)，則Rxy()中保存了它們的基波頻率及兩者共有的諧波分量。Rxy()中基波及諧波的相位為兩個原函數(shù)的相位差。自相關(guān)接收的主要部件是乘法器和延時裝置兩部分，如圖3—4所示。圖3—4自相關(guān)原理框圖Fig.3-4Principleblockdiagramofowncorrelationfunction設(shè)輸入信號為人fi〔t)，它是由待測信號si〔t)和噪聲ni〔t)疊加的，即fi〔t)=si〔t)+ni〔t)（3—6）輸入到自相關(guān)接收裝置后分為兩路：一路經(jīng)延時得到fi〔t-)，另一路未經(jīng)延時，兩路送到乘法器相乘后，再積分并取平均，這樣就得到以為參數(shù)的相關(guān)函數(shù)R()。（3—7）=Rss（）+Rsn（）+Rns（）+Rnn（）式中Rss（）是信號的自相關(guān)函數(shù);Rsn（）和Rns（）分別是信號與噪聲、噪聲與信號的互相關(guān)函數(shù)；Rnn（）是噪聲的自相關(guān)函數(shù)。因?yàn)樾盘柵c噪聲不相關(guān)，并且噪聲的平均值為0，因此有Rsn（）=Rns（）=0則有R（）=Rss（）+Rnn（）（3—8）由平穩(wěn)隨機(jī)過程理論可知：不含周期分量的噪聲ni〔t)的自相關(guān)函數(shù)當(dāng)→∞時，Rnn（）→0，所以當(dāng)很大時R（）≈Rss（）。自相關(guān)接收的抗干擾能力沒有互相關(guān)接收抗干擾能力強(qiáng)，并且實(shí)現(xiàn)也比較復(fù)雜，因此在微弱信號檢測技術(shù)中，幾乎都是采用互相關(guān)接收。圖3-4為一種計(jì)算互相關(guān)函數(shù)的原理圖，又稱互相關(guān)器。輸入信號為兩路，被檢測信號及混入的噪聲信號為x(t)=s(t)+n(t);參考信號為y(t)，要求與被測信號s(t)相關(guān)。例如，s(t)為正弦信號時，則要求y(t)為同頻的正弦信號。圖3-5互相關(guān)函數(shù)原理框圖Fig.3-5Principleblockdiagramofcrosscorrelationfunction經(jīng)互相關(guān)器的輸出信號即為兩個信號的互相關(guān)函數(shù):=Rsy()+Rny()（3—9）由于觀察噪聲n(t)與被測信號s(t)和參考信號y(t)不相關(guān)，因此凡Rny()=0,從而互相關(guān)器的輸出為Rxy()=Rsy()（3—10）可見，只要測量互相關(guān)器的輸出值，就可以檢測到混在噪聲中的信號。理論上只要T足夠長，則一定有Rxy()=0，從而檢測到極微弱的信號，但實(shí)際上因測量時間T有限，故輸出仍有一些噪聲。鎖相放大器的組成典型的鎖相放大器的方框圖如圖3-6所示。由信號通道、參考通道和相關(guān)器組成。圖3-6鎖相放大器方框圖Fig.3-6Schematicdiagramoflockphaseamplifier信號通道位于相關(guān)器之前，由輸入變壓器，低噪聲前放，各種功能的有源濾波器和主放大器組成。其作用是將弱信號放大到足以推動相關(guān)器工作的電平，并兼有抑制和濾除部分干擾和噪聲的功能，從而擴(kuò)大儀器的動態(tài)范圍。參考通道是鎖相放大器區(qū)別于一般儀器的不可缺少的組成部分。通常鎖定放大器的參考通道輸出是與待測信號同步的對稱方波，用以驅(qū)動相關(guān)器中的場效應(yīng)管開關(guān)。參考通道主要由觸發(fā)電路、移相電路、方波驅(qū)動電路組成。觸發(fā)電路是能把各種波形的參考信號變成一定波形的同步脈沖去觸發(fā)后繼電路。它有很寬的觸發(fā)電乎范圍和工作頻率范圍。移相電路是改變參考通道輸出方波的相位。要在在0°～360°范圍內(nèi)可調(diào)。大都是由一個0°～100°連續(xù)可調(diào)的移相器和三個相移量為90°的固定移相器組成，從而滿足360°范圍內(nèi)任意調(diào)定。對移相器的相移精度和相移頻率特性也有一定的精度。方波形成電路是把從移相器過來的脈沖變成同步的占空比嚴(yán)格為1：1的方波，驅(qū)動級把輸入方波變成一對相位相反的方波，用以驅(qū)動相關(guān)器的模擬開關(guān)。相關(guān)器是實(shí)現(xiàn)參考信號和被測信號兩者的相關(guān)函數(shù)運(yùn)算的電子線路。由相關(guān)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式可知，它需要有一個乘法器和一個積分器。從理論上講，用一個模擬乘法器和一個積分時間為無限大的積分器組成就可以把深埋在任意大的噪聲中的微弱信號檢測出來。實(shí)際上在鎖定放大器中不用模擬乘法器，也不采用時間為無限大的積分器。這是因?yàn)槟M乘法器來保證動態(tài)范圍大，線性好將是困難的，由于被測信號是正弦波或方波，可以采用動態(tài)范圍大，線性好、線路簡單的開關(guān)式乘法器。至于積分器幾乎毫無例外地采用低通濾波器。下面介紹相關(guān)器的工作原理。鎖定放大器中的相關(guān)器是由乘法器和積分器構(gòu)成的。乘法器一般不采用模擬乘法器，而是選用開關(guān)式乘法電路。積分器一般都采用近似的積分電路，即低通濾波器，如圖3-7所示。圖3-7相關(guān)器原理圖Fig.3-7Schematicdiagramofcorrelator設(shè)被測輸入信號Vs=V0sin(t+)（3—8）參考信號是基頻與輸入信號同頻的方波信號,經(jīng)過傅立葉變換可表示為（3—9）乘法器的輸出（3—10）如果積分器的時間常數(shù)滿足?1則積分器的輸出電壓為VO=-CV0[1-exp(-t/)]cos（3—11）式中C-—積分器的比例系數(shù)當(dāng)測試時間t時，exp(-t/)→0，得到穩(wěn)定的輸出VO=-CV0cos（3—12）相關(guān)器電路類型很多，有開關(guān)器件型、電流控制型、對稱互補(bǔ)型、斬波型和數(shù)字型。目前應(yīng)用以斬波型為主，采用場效應(yīng)管作為開關(guān)，這是因?yàn)镕ET的輸入阻抗高，可以構(gòu)成理想的開關(guān)。下面將介紹斬波型電路的基本方案和具體電路。方案如圖3—8所示。開關(guān)K受參考信號方波UR的同步控制而接通A和B。US為輸入信號，經(jīng)開關(guān)K輸入到增益為1的隔離放大器A1或A2。放大器的輸出為減法器的輸入。減法器的輸出經(jīng)積分后得到直流信號。圖3—8相關(guān)器方案的方框圖Fig.3-8Schematicdiagramofcorrelatorway在本次設(shè)計(jì)中，所涉及到的鎖相放大部分見附錄3，其中核心器件PSD用了MX7501。鎖相放大器基本上是一個同步解調(diào)器后面跟隨一個低通濾波器，能從干擾噪聲中提取出特定頻率的信號，對噪聲的抑制是以犧牲響應(yīng)時間為代價的，帶寬越窄，積分時間常數(shù)越大，系統(tǒng)的響應(yīng)時間就越長。第四章氣體檢測系統(tǒng)的性能測試由于時間，經(jīng)費(fèi)和自身實(shí)力的原因，最后設(shè)計(jì)的利用光聲光譜法來檢測甲烷氣體的總體實(shí)驗(yàn)沒有完成，很是遺憾，但對于系統(tǒng)的各個部分還是做了很好的檢測，并且各部分效果還是比較滿意。具體包括LD驅(qū)動電路實(shí)驗(yàn)機(jī)械斬波實(shí)驗(yàn)鎖相放大器實(shí)驗(yàn)LD驅(qū)動電路實(shí)驗(yàn)在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我們所用的LD是在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中用的是波長為1.33μm的分布式反饋抑制（DFB）的LD，這種DFBLD的I一般比普通的LD的要小，并且有內(nèi)部的溫度控制單元，節(jié)省了外圍電路，該LD是靠電流驅(qū)動的，其主要技術(shù)指標(biāo)如表4—1所示表4—1LD的參數(shù)Fig.4-1SpecificationsofLD從表中我們可以看出，LD的準(zhǔn)入電流為10mA，即在25℃因此在實(shí)驗(yàn)過程中，在圖3—2（LD的驅(qū)動電路）中的Rc與LD的中間斷開，接入一個電流表，通過調(diào)節(jié)Ra，Rb，我們可以讓其電流控制在30mA左右附近，我們就可測的電流表的值，獲得的數(shù)據(jù)為29.8mA。符合所給LD的參數(shù)要求，LD能正常驅(qū)動，但基于LD比較貴，屬于精細(xì)產(chǎn)品，為了保護(hù)LD，使之更加穩(wěn)定，我們改進(jìn)了一下方案，不外接5V電源，而是采用電池供電，因?yàn)橥獠侩娫床环€(wěn)定，容易產(chǎn)生波動，從而對LD產(chǎn)生影響。機(jī)械斬波實(shí)驗(yàn)在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，機(jī)械斬波器由一個邊緣開有若干通光孔的斬波盤、一個轉(zhuǎn)速穩(wěn)定和可控電機(jī)以及電子控制裝置三部分組成。具體實(shí)物見附錄2。其中采用的電機(jī)為35BYGB2相混合步進(jìn)電機(jī)，它的電子控制部分是WZM—2H042Ma二相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器。驅(qū)動器具體使用方式為：A+、A-接電機(jī)線A相，B+、B-接電機(jī)線B相。CP+，CW+為輸入控制信號的公共陽端，CW-為方向控制信號輸入端，為方便起見將以上三個端口都接到+5V電壓上，CP-是脈沖信號輸入端，一般與單片機(jī)的P1口相連，以給驅(qū)動器工作的脈沖信號。我們采用的是89TS52系列單片機(jī)，編寫一個10KHZ，占空比為1：1的脈沖信號的程序，并將P1，7口的輸出和CP-相連。這樣我們設(shè)計(jì)的斬波系統(tǒng)就能正常工作了。具體小程序見下ORG2000HMOVTMOD,#06HMOVTH0,#0FFHMOVTL0,#0CEHSETBTR0LOOP:JBCTF0,LPSJMPLOOPLP:CPLP1.0SJMPLOOPEND鎖相放大器實(shí)驗(yàn)我們設(shè)計(jì)的鎖相放大部分主要是產(chǎn)生一個嚴(yán)格意義上占空比為1：1的方波作為參考信號，而輸入信號為微音器產(chǎn)生的電信號，在理想狀態(tài)下應(yīng)該是方波信號，但因?yàn)楦鞣N條件制約，在光聲腔內(nèi)不能產(chǎn)生理想的方波信號，這樣我們在調(diào)試鎖相放大部分時，通過外界信號發(fā)生電路，給鎖相加入輸入信號，而自己設(shè)計(jì)的電路主要產(chǎn)生方波參考信號，具體的電路圖見附錄3。在本設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)參考信號和被測信號同頻同相，為了實(shí)現(xiàn)這個功能，這里就使用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)這個功能的基本思路為：用程序控制單片機(jī)使之控制產(chǎn)生一個直流電壓，這個電壓剛開始時比被測信號中的直流電壓要小，用單片機(jī)來控制這個直流電壓，使之慢慢的增大，當(dāng)增大到與被測信號中的直流電壓成分相等時就停止。最后用這個頻率去控制產(chǎn)生一個同頻的方波信號作為參考信號。具體程序的流程圖如圖4-1所示。圖4-1程序流程圖Fig.4-1Flowchatoftheprogrem測試時被測信號為已經(jīng)調(diào)制的正弦信號，參考信號與被測信號同頻同相，利用電子開關(guān)AD7501來實(shí)現(xiàn)相敏檢測，這樣參考信號就相當(dāng)于是與被測信號同頻同相且幅度值為1的標(biāo)準(zhǔn)方波。調(diào)制的正弦信號波形如圖4-2所示，參考信號波形如圖4-3所示，電子開關(guān)AD7501的輸出波形如圖4-4所示。圖4-2調(diào)制的正弦信號Fig.4-2Thesinesinglehavemodulated圖4-3參考信號Fig.4-3Thesingleofconsult圖4-4AD7501的輸出端波形Fig.4-4TheoutputwaveofAD7501基于C8051F單片機(jī)直流電動機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機(jī)的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機(jī)的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)\