基于石英音叉光电探测器的挥发物检测方法研究

发布时间：2020-05-04 18:59

【摘要】：随着化学工业的迅速发展,挥发性有机物(VOCs)已逐步成为工业生产过程的重要原料,但是因其大多具有毒性、且易燃易爆、容易形成有机污染物,严重威胁了生产安全和社会安定。因此,对VOCs进行准确的实时在线监测,对危险品进行成分识别和智能预警都有着重要的实际意义。中红外激光吸收光谱因其其无损检测、快速响应和高灵敏度等特性而被广泛用于大气环境、工业处理控制等领域的气体检测分析。目前,该技术中常用光电探测器主要有碲镉汞探测器(MCT)和量子阱探测器,总体上成本较高。此外,受探测器所用介质材料的自身特性限制,通常波长或频率响应带宽有限,从而无法满足整个电磁波范围内的全波段响应。本论文基于石英音叉(QCTF)的压电效应和谐振特性研制了一种成本低、无波长响应带宽限制的光电探测器,深入研究了其对相关参数的依赖特性,并与商业化光电探测器进行了对比,检验了石英音叉光电探测器的有效性和可靠性。通过将QCTF探测器与新型外腔式量子级联激光器结合,搭建了一套挥发性有机物检测系统;通过检测不同站点汽油样品中挥发性有机物的红外吸收光谱,结合数据库标准参考光谱与自行建立的多算法光谱分析模型,实现了对不同型号汽油样本中主要挥发性有机物的相对含量分析和成分归属,结果与其他检测方法报道的结果具有很好的一致性;此外,将该系统拓展到挥发性有机物的远距离探测研究,利用固定波长探测模式,有效抑制了大气和挥发物羽流的湍流效应,分别在1 150 cm-1、1217 cm-1和1250 cm-1波长处实现了乙醚、丙酮和乙醇三种挥发性有机物混合羽流的有效识别和分析,探测距离可达40米,为工业处理控制和公共安全维护等领域中危化品泄漏监测和智能预警等应用奠定了良好基础。
【图文】：

示意图,吸收池,多次反射,示意图

逦第一章绪论逦逡逑由朗伯比尔定律可得，吸收光谱的检测限与光在气体中的有效光程成正比变化。逡逑大气中除了主要成分（氮气和氧气）之外，还包含着大量痕量气体，为了实现高灵逡逑敏度检测，通常需要结合多通型长程气体吸收池。目前，多通吸收池主要包括：逡逑Ｗｈｉｔｅ型ｐ９］、Ｈｅｒｒｉｏｔ＾［３（）］、Ｃｈｅｍｉｎ型［３１＿３２］、改良邋Ｈｅｒｒｉｏｔｔ邋型１３３１邋和密集模式多通逡逑池［３４］（如图１．１）。多通吸收池具有体积小，方便携带的特点，通常由两个或多逡逑个反射镜组成。因为从多通池泄漏的光强度随着反射次数呈指数减小，所以通常逡逑采用高反射率反射镜来获得最大数量的反射，并且同时保证足够的光离开该单元逡逑用于光谱测量。它的有效光程长达到几十米甚至千米级，选择合适的激光器与分逡逑子吸收波段，，探测灵敏度可以达到１0＿９甚至丨0“２量级。气体多通吸收池目前多应逡逑用于实验室环境，通常需要可见光进行精确校准且受反射镜尺寸影响，较大的体逡逑积不利于气流的快速稳定。近来，一种便携式微型化的空芯光纤被开发应用于气逡逑体的传感，具有更高的稳定性［３５］。逡逑Ｗｈｉｔｅ邋ｃｅｌｌｓｂＨｅｒｒｉｏｔｔ邋ｃｅｌｌｓ逡逑

吸收光谱,腔衰荡,光谱技术,实验装置

可以在腔中积聚大量光能，低损耗反射镜允许光从光学腔泄漏出来，以表征腔内逡逑气体的吸收。这些基于腔的方法通常分为腔衰荡光谱（ＣＲＤＳ）１４２＂４４１，其变体如腔逡逑增强吸收光谱（ＣＥＡＳ）［４５］和集成腔输出光谱（ＩＣＯＳ）１４６１。图１．２为传统的腔衰荡光谱逡逑技术的实验装置。腔衰荡激光光谱也是一种直接吸收技术，但它的灵敏度远高于逡逑传统吸收光谱学，对光源强度波动不敏感，而且可以在短光学腔（数十厘米）内逡逑实现的极长的有效路径长度（数公里）。１９９８年，Ｏ＇Ｋｅｅｆｅ和Ｅｎｇｅｌｎ等人［４７１独立提逡逑出了ＣＲＤＳ技术的两种修改，即丨ＣＯＳ和ＣＥＡＳ。这三种方法的概念是相似的，但逡逑是存在与激光束和腔的对准以及模式结构有关的差异。与ＣＲＤＳ相比，丨ＣＯＳ和逡逑ＣＥＡＳ的一大优势在于它可以无限制地用于振铃时间或激光频率与无腔光谱范围逡逑４逡逑
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN15;O657.3;TQ086.52

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