甲烷气体探测系统红外双波段滤光膜的研制

发布时间：2020-03-28 18:09

【摘要】：随着红外探测技术的发展,气体红外热成像探测技术在气体探测领域的应用日趋广泛。被动式气体红外热成像探测具有结构简单、探测视场大、非接触且动态直观等优点,可用于甲烷和天然气的泄露探测,逐渐成为了新的研究热点。现有的被动式甲烷气体红外热成像探测系统仅能探测甲烷单个红外特征吸收峰,同时探测两个红外特征吸收峰可以有效提升系统灵敏度。本文以单晶锗为基底,Ge和ZnS为高、低折射率材料研制了一种红外双波段滤光膜,能够在有效截止背景噪声的同时,满足探测系统同时探测甲烷两个红外特征吸收峰的需求。基于薄膜光学系统设计理论,以6.0μm为截止带分界点,提出了具有较高实验可行性的拆分设计方案;通过实验探究ZnS膜层折射率与离子束流的关系,获得了折射率(3μm)小于2.20且薄膜稳定性良好的ZnS膜层,拓宽了截止波段范围并消除了截止波段上的刺峰,实现了前表面膜系的设计;在后表面膜系设计中,选择了有少数可控薄层的膜系设计结果,减少了非周期窄带滤光膜的分析变量,降低了膜系物理厚度并提高了优化效果,有效提高了后表面膜系的实验可行性。在膜系制备中,通过实验探究沉积温度与Ge膜层聚集密度的关系,得到了满足Ge膜层光谱稳定性的最低沉积温度,有助于获取折射率更低的ZnS膜层;提出了环形ZnS膜料蒸镀工艺,获得了稳定的ZnS的沉积速率,有助于稳定ZnS的Tooling值并消除薄膜表面麻点,该工艺能有效提高ZnS材料用于红外滤光膜研制的可靠性,降低了红外滤光膜系的制备难度并改善了薄膜外观。通过两次反演分析控制膜系设计阶段引入的敏感薄层,使滤光膜较为容易地达到了光谱要求。经测试,研制的双波段滤光膜在3.31μm和7.67μm透过率分别为89.25%、81.97%,截止波段3.71~7.47μm和7.87~10μm的平均透过率分别为0.36%和0.36%。滤光膜通过了耐环境和光谱稳定性测试,将其应用在甲烷探测系统中有效提高了采集图像的对比度,达到了提高系统的灵敏度的目的。
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事故现场

第 1 章绪论的研究背景常见于石油、煤炭及天然气资源的开采及化工生产之中，是一种重料，也是天然气的主要组成成分。近年来，，我国的天然气的开采和，目前通过将液化技术能够很好地运输和存储液化天然气（LNG）活并促进了经济的增长[1]。由于无法有效地对气体泄漏进行监测和、LNG 运输及存储的过程中易产生泄漏存在爆炸隐患，故近年来造成了伤亡及财产损失[2-3]；在石油、煤炭开采及化工生产、沼气气体泄漏导致的安全事故也时有发生，严重威胁了人员的生命及程度避免和降低由于气体的泄漏带来的损失，发展甲烷气体实时探变得日益重要[4-5]。

吸收光谱,红外热成像,被动式,甲烷气体

动能级跃迁时对不同波长的红外光吸收程度存在差异，不同的红外特征吸收光谱。红外特征吸收法精度较高，具有主动光源干扰，稳定性好。但其结构复杂，成本较高，多用于用于实验度传感器等[12]。像法包括红外光谱成像法和红外热成像法，其中，红外光谱成复杂，关键部件国内还没有突破技术封锁[13-15]。而红外热成像红外滤波器及红外焦平面探测器直接检测被测气体产生的特定射特征信号，通过光电转换和图像处理将泄漏气体转换为人态且直观地确定泄漏位置，并且能够实现气体泄漏报警[16]。成像法有主动式和被动式两种结构[17]，主动式红外热成像法收光源辐射成像，具有灵敏度高、精度高等特点，但也具有探、体积大、结构复杂和成本高等缺点。被动式红外热成像法则成像，具有结构简单、探测视场大、光谱范围宽等优点。由于有主动激光光源，容易受到背景杂光产生的噪音影响，因此对的要求较高，需要更好地截止背景噪音干扰。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN215;TB383.2

【参考文献】