甲烷是仅次于二氧化碳的全球第二大温室气体,而从单位分子数角度来看,甲烷的温室效应还要比二氧化碳大上25倍。同时它也是一种易燃易爆的危险气体,当它在空气中的浓度达到5-15%时,就会发生爆炸。甲烷虽然对人体基本无毒,但如果浓度过高,会使空气中氧气含量明显降低,易使人窒息。它又无色无味,不易被察觉。在煤矿开采和天然气使用过程中时常发生因甲烷浓度过高导致的人员窒息和爆炸事故。因此,需要一种有效便捷的方法来实时监测甲烷浓度,特别是对工业甲烷的安全监测。近年来,利用光学方法进行甲烷气体浓度检测在应用中以非接触、快速、实时在线等优点引起了人们的极大兴趣,可调谐二极管激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS）技术已经被广泛应用于多种气体浓度的检测。在波长调制光谱（Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS）中,高灵敏度探测是通过波长调制和谐波检测来实现的,一般采用二次谐波作为检测信号。由于检测信号被搬移到更高的频率上,该技术的一个重要优点是可以忽略系统中的随机噪声,TDLAS-WMS的灵敏度要比直接检测高1～2个数量级。目前对于TDLAS技术的研究已经相对完善,国内外学者对TDLAS系统的开发优化、性能提升也做了大量的工作。但是在实际检测系统中,仍会有很多因素发展成背景信号,例如非线性效应、干涉条纹、光强波动等。系统中的非线性效应主要来源于激光器、探测器光强-电流响应非线性和光传输过程中的非线性;干涉条纹主要来源于激光器、耦合器、准直器等器件界面上的多次反射和散射。这些因素导致谐波背景高,会严重影响谐波信号的灵敏度和真实性,因此消除背景干扰已成为亟待解决的重要问题。本文主要针对基于TDLAS技术的气体传感系统在实际工业应用中涉及到的关键技术,为消除上述谐波背景干扰提出了解决方案,有效的提升系统的检测极限和精度。本文主要内容如下:1.介绍了常见的气体检测方法,包括电化学传感器、量热传感器、热释电传感器、半导体金属氧化物传感器和光学传感器等,又分析了对TDLAS系统中背景噪声——非线性效应和干涉条纹的研究现状。2.详细介绍了气体红外光谱吸收理论,包括分子红外光谱、比尔朗伯定律和TDLAS技术的两大分支——直接吸收光谱和波长调制光谱,详细介绍了波长调制光谱的谐波检测技术的实现原理。3.详细介绍了甲烷检测系统的设计方案、器件选型和硬件电路,以模块化的设计方法,从信号发生模块、信号探测模块和信号处理模块三大模块对系统设计进行了详细说明。在信号处理模块中对锁相放大器的相关原理与实现方法做了重点说明。4.针对系统非线性效应带来的谐波背景,基于工业中实时远程检测的需求,设计了一种利用可变光学衰减器抑制背景的甲烷传感系统,消除了系统中非线性背景,将最小检测极限从80.8ppm提升到1.7ppm,极大的提高了检测灵敏度。5.详细介绍了干涉条纹的来源、干涉对信号的影响及双频调制原理,采用双频调制技术有效抑制了干涉条纹对谐波信号的影响。