脉冲激光测量烟雾浓度的方法研究

发布时间：2017-10-28 17:04

  本文关键词：脉冲激光测量烟雾浓度的方法研究

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【摘要】：激光在烟雾等气溶胶中传输时,会受到气溶胶散射和吸收作用的影响,基于激光的这一特点,搭建了脉冲激光测量烟雾浓度的实验平台,对四种典型烟雾的脉冲激光传输特性进行了实验研究。以激光传输理论为基础,应用蒙特卡罗方法建立了脉冲激光在烟雾中传输的数学模型,提出了区分烟雾类型和计算烟雾浓度的方法。本文主要进行了以下几个方面的研究:(1)以Mie散射理论为基础,建立了以光子传输模型和烟雾浓度计算模型为核心的脉冲激光在烟雾中传输的蒙特卡罗数值计算模型。(2)搭建了脉冲激光探测烟雾浓度的实验系统,主要包含脉冲激光发射系统、烟雾箱和脉冲激光接收系统,采用“一发四收”的探测方式对四种典型烟雾进行实验研究。(3)对四种典型烟雾的散射特性进行测试,计算相对光强比,结果表明:散射光相对光强比与烟雾种类有关,与烟雾浓度无关,在烟雾类型未知的前提下,根据相对光强比可以判断烟雾类型;对四种典型烟雾的透射特性进行测试,可以得到烟雾的实时光学浓度。(4)通过理论与实验相结合的方法,应用MATLAB软件进行了烟雾散射和透射特性的蒙特卡罗数值计算,得到了脉冲激光在烟雾中的传输特性,通过与实验值对比,二者一致性较好,验证了实验方案的可行性和实验系统的可靠性。(5)根据脉冲激光在烟雾中的透射特性,计算烟雾光学浓度,给出了烟雾光学浓度和质量浓度关于某一特征参数的经验公式。采用脉冲激光多角度探测烟雾浓度,根据本文提出的实验方案,在烟雾类型未知的情况下,只要有两个以上角度匹配,即可判断烟雾类型和烟雾浓度。基于激光散射测量烟雾浓度的方法具有快速、实时等优点,为激光探测烟雾的传输特性和浓度测量奠定了基础。
【关键词】：脉冲激光 烟雾 浓度 Mie散射理论 蒙特卡罗
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN249
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-15
• 第1章 绪论15-23
• 1.1 研究目的和意义15
• 1.2 国内外研究现状15-18
• 1.2.1 激光传输理论15-16
• 1.2.2 光学检测烟雾浓度方法16-18
• 1.3 光检测法的应用18-22
• 1.3.1 医疗方面研究现状18
• 1.3.2 火灾探测方面研究现状18-20
• 1.3.3 大气环境监测方面研究现状20-22
• 1.4 主要研究内容22-23
• 第2章 脉冲激光测量烟雾浓度建模23-38
• 2.1 光散射基本理论23-26
• 2.1.1 光散射23-24
• 2.1.2 米氏散射24-26
• 2.2 烟雾颗粒特征参数26-30
• 2.2.1 烟雾颗粒平均粒径26-28
• 2.2.2 烟雾颗粒尺寸分布28-29
• 2.2.3 烟雾颗粒浓度表征29-30
• 2.3 脉冲激光测量烟雾浓度的数值计算模型30-37
• 2.3.1 蒙特卡罗流程31-32
• 2.3.2 光子传输模型32-36
• 2.3.3 浓度计算模型36-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第3章 脉冲激光测量烟雾浓度的实验研究38-61
• 3.1 烟雾浓度测量方案设计38-47
• 3.1.1 脉冲激光发射系统38-42
• 3.1.2 烟雾箱42-44
• 3.1.3 脉冲激光接收系统44-47
• 3.2 脉冲激光测量烟雾浓度的实验方法47-48
• 3.3 脉冲激光在烟雾中的传输特性48-56
• 3.3.1 A类烟火药剂的传输特性49-52
• 3.3.2 B类烟火药剂的传输特性52-55
• 3.3.3 榉木烟雾的传输特性55
• 3.3.4 线香烟雾的传输特性55-56
• 3.4 脉冲激光测量烟雾浓度试验结果56-60
• 3.4.1 A类烟火药剂烟雾浓度测量结果56-57
• 3.4.2 B类烟火药剂烟雾浓度测量结果57-58
• 3.4.3 榉木烟雾浓度测量结果58-59
• 3.4.4 线香烟雾浓度测量结果59-60
• 3.5 本章小结60-61
• 第4章 脉冲激光测量烟雾浓度的方法研究61-81
• 4.1 典型烟雾粒径分布研究61-66
• 4.1.1 典型烟雾的粒径测量61-64
• 4.1.2 典型烟雾粒径分布函数拟合64-66
• 4.2 烟雾粒径对激光传输性能的影响研究66-69
• 4.2.1 Mie散射效率因子66-67
• 4.2.2 典型烟雾散射光强分布67-69
• 4.3 典型烟雾传输特性理论计算和误差分析69-74
• 4.3.1 A类烟火药剂的传输特性理论计算与误差分析70-72
• 4.3.2 B类烟火药剂的传输特性理论计算与误差分析72-73
• 4.3.3 榉木的透射特性理论计算与误差分析73-74
• 4.3.4 线香的透射特性理论计算与误差分析74
• 4.4 典型烟雾浓度研究74-80
• 4.4.1 A类烟火药剂烟雾浓度74-76
• 4.4.2 B类烟火药剂烟雾浓度76-77
• 4.4.3 榉木的烟雾浓度77-78
• 4.4.4 线香的烟雾浓度78-79
• 4.4.5 脉冲激光测量烟雾浓度的方法79-80
• 4.5 本章小结80-81
• 结论及展望81-83
• 参考文献83-89
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单89-90
• 致谢90

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本文编号：1109121