面向红外气体检测的多通池研制与应用
发布时间：2021-06-28 18:40
气体检测技术广泛应用在大气监测,工农业生产,能源开采,医疗监测等行业。气体检测是人们扩展认知物质的手段,能检测环境中存在的但无法被人体察觉的各类气体。具有可燃性的气体在密闭空间内,达到一定浓度就具有爆炸的风险。具有毒性的气体,在察觉不到的情况下威胁身体健康甚至生命安全。气体也是生物反应的重要物质之一,通过检测人体呼出气体可以检测生命特征。气体检测可以有效预防气体爆炸,中毒等安全事故,也可以提高医疗技术手段等。因此,提高气体检测技术对生产生活有极其重要的作用。本论文提出两种光路结构的多通池,并设计了相应的气体检测系统。首先,设计了应用于激光光源的密集型光斑多通池,多通池采用三球面镜反射结构。通过MATLAB软件建立三镜反射的数学模型,分析了光路结构、光斑分布及形状、反射次和光程等。按照仿真参数设计了光程11.0m多通池,并通过气体标定实验验证了光程。设计了机械结构用于固定反射镜及调整光路。使用密集型光斑多通池,中心波长为1.53μm的分布反馈式（Distribution Feedback,DFB）激光器,结合波长调制光谱（Wavelength Modulation Spectroscop...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
文献[26]中TDLAS技术气体检测系统框图
第一章绪论41.2.2非分散红外光技术NDIR(Non-DistancepersiveInfrared,NDIR)技术[33-40]使用宽带光源，通过滤光片获取需要波长范围的光线来检测气体浓度。常使用大功率卤灯，工作时产生高温，向外进行黑体辐射产生红外线。热释电探测器用来作为传感器，红外线照射内部温度敏感元件，再通过电路将温度转化为电信号输出。由于气体检测中的信号变化微弱，以及周围环境中存在很多红外干扰。因此NDIR技术常使用差分方法提高检测精度。NDIR技术中使用的光源成本远远低于激光器成本，且不需要专门的驱动器，使用寿命长且不易损坏。但调制频率普遍不高，需要低频响应性能优越的探测器。图1.2是哥根廷激光实验室协会使用NDIR技术测量燃烧气体，使用钨灯丝灯泡加热到2000K向外产生黑体辐射。选择波数范围在2000cm-1—2500cm-1的中红外波段作为CO的吸收线。探测器选择上，比较了热敏电阻和热释电探测器。热释电探测器成本低，但前者在其系统中显示了更低的信噪比，因此选择了热敏电阻作为探测器。该方案中设计的气室并未使用反射镜增加光程，仅作为气体吸收池使用[35]。图1.2文献[35]中NDIR光谱技术气体检测系统框图1.2.3光声光谱技术光声光谱(PhotoacousticSpectroscopy，PAS)技术[41-46]利用光声效应来测量气体浓度。红外光线被待测气体吸收后，气体分子从基态跃迁到高能态。由于高能态不稳定，高能级分子会跃迁回基态，将能量以无辐射热量形式散发出来。由于气体受热膨胀，在多通池内会产生声波。使用麦克风或微音器捕捉声波信号即可测得气体浓度信息。通过周期性调制激光，即可获得周期性声波信号。石英增强
第一章绪论5光声光谱(QuartzEnhancedPhotoacousticAbsorptionSpectroscopy,QEPAS)技术是近几年提出的改进技术。通过激光器照射到石英音叉中间，音叉会随之一起振动并产生电信号。音叉有着固有频率，因此对外界噪声具有很好的抗干扰能力。音叉周围添加共振管可以进一步放大声波信号。图1.3文献[47]中CO-QEPAS检测系统框图图1.3是哈尔滨工业大学设计的QEPAS气体检测系统用来检测CO气体。系统使用中心波长为2.3μm的DFB激光器和共轴型石英音叉，结合WMS技术，通过锁相放大器提取谐波检测气体浓度[47]。1.2.4腔增强光谱技术腔增强光谱技术[48-49]分腔衰荡光谱(CavityRingdownSpectroscopy,CRDS)技术和腔增强吸收光谱(Cavity-enhancedAbsorptionSpectroscopy,CEAS)技术两种。腔增强光谱技术利用高反射率的透反射镜使光线在吸收池内进行多次反射增加光程，每次反射从多通池都能透射一部分光线。CRDS技术通过关断激光器，停止向谐振腔内注入激光时，输出光线开始衰减，衰减的时间包含着气体浓度信息，而CEAS技术是测量输出光线的强度来获取浓度信息。两种技术难点的都在激光和谐振腔模式的匹配上，离轴积分腔输出光谱(Off-axisIntegrated-cavityOutputSpectroscopy，OA-ICOS)技术通过改变激光入射位置，提高CEAS技术中腔模式的信噪比。图1.4是吉林大学设计的基于OA-ICOS技术与频分复用波长调制光谱(FrequencyDivisionMultiplexingassistedWMS,FDM-WMS)技术的乙炔(C2H2)和
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于TDLAS的烟气中CO浓度混合取样式在线监测[J]. 周佩丽,谭文,彭志敏. 仪器仪表学报. 2019(11)
[2]基于HTCC工艺的电化学NO2气体传感器设计与测试[J]. 秦浩,王洋洋,杨永超,刘智敏,佟勇,徐海鑫. 轻工学报. 2019(04)
[3]矿井内CH4与CO2双组分NDIR传感器的设计与实现[J]. 赵勇毅,常建华,沈婉,赵正杰,房久龙. 红外技术. 2019(08)
[4]非色散红外CO2传感器温度补偿模型研究[J]. 牛萍娟,程峥,田海涛,李舒舒. 仪表技术与传感器. 2019(08)
[5]基于MEMS技术的催化燃烧气体传感器[J]. 马丽,宋宏斌,王磊,杨梅. 现代信息科技. 2018(10)
[6]中红外差分式CO检测仪的设计与实验[J]. 李国林,季文海,王一丁. 红外与激光工程. 2018(04)
[7]一种螺旋型的紧凑多光程池[J]. 吴飞龙,李传亮,史维新,魏计林,邓伦华. 光谱学与光谱分析. 2016(04)
博士论文
[1]TDLAS系统中的噪声抑制研究[D]. 梁文科.山东大学 2019
[2]红外激光气体分析仪的关键问题研究[D]. 董明.吉林大学 2019
[3]基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统研究[D]. 何启欣.吉林大学 2018
[4]差分傅里叶变换红外光声光谱大气污染气体检测研究[D]. 刘丽娴.电子科技大学 2017
[5]基于中红外吸收光谱技术的设施园艺CO2测控系统的研制[D]. 王嘉宁.吉林大学 2017
[6]气体红外吸收光谱检测信号的分析研究[D]. 刘永宁.山东大学 2016
[7]基于连续波腔衰荡光谱的痕量气体检测技术研究[D]. 李志新.山西大学 2015
硕士论文
[1]基于波长调制光谱技术的气体遥测系统的研究[D]. 苗澍茁.吉林大学 2019
[2]基于TDLAS的CO浓度检测系统的研究[D]. 张保龙.西安科技大学 2019
[3]基于石英增强光声光谱技术的一氧化碳痕量气体检测研究[D]. 佟瑶.哈尔滨工业大学 2019
[4]基于红外吸收光谱技术的甲烷浓度检测系统研究[D]. 王韬.燕山大学 2019
[5]基于NDIR原理的CO2浓度传感器的制备与研究[D]. 袁博.电子科技大学 2019
[6]基于TDLAS技术的气体检测技术[D]. 颜松岸.华北电力大学(北京) 2019
[7]用于红外激光气体检测的数字正交锁相放大器的研制[D]. 刘慧芳.吉林大学 2017
[8]TDLAS气体检测中二次谐波的锁相放大器的研究[D]. 曹天书.吉林大学 2013
本文编号：3254845
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
文献[26]中TDLAS技术气体检测系统框图
第一章绪论41.2.2非分散红外光技术NDIR(Non-DistancepersiveInfrared,NDIR)技术[33-40]使用宽带光源，通过滤光片获取需要波长范围的光线来检测气体浓度。常使用大功率卤灯，工作时产生高温，向外进行黑体辐射产生红外线。热释电探测器用来作为传感器，红外线照射内部温度敏感元件，再通过电路将温度转化为电信号输出。由于气体检测中的信号变化微弱，以及周围环境中存在很多红外干扰。因此NDIR技术常使用差分方法提高检测精度。NDIR技术中使用的光源成本远远低于激光器成本，且不需要专门的驱动器，使用寿命长且不易损坏。但调制频率普遍不高，需要低频响应性能优越的探测器。图1.2是哥根廷激光实验室协会使用NDIR技术测量燃烧气体，使用钨灯丝灯泡加热到2000K向外产生黑体辐射。选择波数范围在2000cm-1—2500cm-1的中红外波段作为CO的吸收线。探测器选择上，比较了热敏电阻和热释电探测器。热释电探测器成本低，但前者在其系统中显示了更低的信噪比，因此选择了热敏电阻作为探测器。该方案中设计的气室并未使用反射镜增加光程，仅作为气体吸收池使用[35]。图1.2文献[35]中NDIR光谱技术气体检测系统框图1.2.3光声光谱技术光声光谱(PhotoacousticSpectroscopy，PAS)技术[41-46]利用光声效应来测量气体浓度。红外光线被待测气体吸收后，气体分子从基态跃迁到高能态。由于高能态不稳定，高能级分子会跃迁回基态，将能量以无辐射热量形式散发出来。由于气体受热膨胀，在多通池内会产生声波。使用麦克风或微音器捕捉声波信号即可测得气体浓度信息。通过周期性调制激光，即可获得周期性声波信号。石英增强
第一章绪论5光声光谱(QuartzEnhancedPhotoacousticAbsorptionSpectroscopy,QEPAS)技术是近几年提出的改进技术。通过激光器照射到石英音叉中间，音叉会随之一起振动并产生电信号。音叉有着固有频率，因此对外界噪声具有很好的抗干扰能力。音叉周围添加共振管可以进一步放大声波信号。图1.3文献[47]中CO-QEPAS检测系统框图图1.3是哈尔滨工业大学设计的QEPAS气体检测系统用来检测CO气体。系统使用中心波长为2.3μm的DFB激光器和共轴型石英音叉，结合WMS技术，通过锁相放大器提取谐波检测气体浓度[47]。1.2.4腔增强光谱技术腔增强光谱技术[48-49]分腔衰荡光谱(CavityRingdownSpectroscopy,CRDS)技术和腔增强吸收光谱(Cavity-enhancedAbsorptionSpectroscopy,CEAS)技术两种。腔增强光谱技术利用高反射率的透反射镜使光线在吸收池内进行多次反射增加光程，每次反射从多通池都能透射一部分光线。CRDS技术通过关断激光器，停止向谐振腔内注入激光时，输出光线开始衰减，衰减的时间包含着气体浓度信息，而CEAS技术是测量输出光线的强度来获取浓度信息。两种技术难点的都在激光和谐振腔模式的匹配上，离轴积分腔输出光谱(Off-axisIntegrated-cavityOutputSpectroscopy，OA-ICOS)技术通过改变激光入射位置，提高CEAS技术中腔模式的信噪比。图1.4是吉林大学设计的基于OA-ICOS技术与频分复用波长调制光谱(FrequencyDivisionMultiplexingassistedWMS,FDM-WMS)技术的乙炔(C2H2)和
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于TDLAS的烟气中CO浓度混合取样式在线监测[J]. 周佩丽,谭文,彭志敏. 仪器仪表学报. 2019(11)
[2]基于HTCC工艺的电化学NO2气体传感器设计与测试[J]. 秦浩,王洋洋,杨永超,刘智敏,佟勇,徐海鑫. 轻工学报. 2019(04)
[3]矿井内CH4与CO2双组分NDIR传感器的设计与实现[J]. 赵勇毅,常建华,沈婉,赵正杰,房久龙. 红外技术. 2019(08)
[4]非色散红外CO2传感器温度补偿模型研究[J]. 牛萍娟,程峥,田海涛,李舒舒. 仪表技术与传感器. 2019(08)
[5]基于MEMS技术的催化燃烧气体传感器[J]. 马丽,宋宏斌,王磊,杨梅. 现代信息科技. 2018(10)
[6]中红外差分式CO检测仪的设计与实验[J]. 李国林,季文海,王一丁. 红外与激光工程. 2018(04)
[7]一种螺旋型的紧凑多光程池[J]. 吴飞龙,李传亮,史维新,魏计林,邓伦华. 光谱学与光谱分析. 2016(04)
博士论文
[1]TDLAS系统中的噪声抑制研究[D]. 梁文科.山东大学 2019
[2]红外激光气体分析仪的关键问题研究[D]. 董明.吉林大学 2019
[3]基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统研究[D]. 何启欣.吉林大学 2018
[4]差分傅里叶变换红外光声光谱大气污染气体检测研究[D]. 刘丽娴.电子科技大学 2017
[5]基于中红外吸收光谱技术的设施园艺CO2测控系统的研制[D]. 王嘉宁.吉林大学 2017
[6]气体红外吸收光谱检测信号的分析研究[D]. 刘永宁.山东大学 2016
[7]基于连续波腔衰荡光谱的痕量气体检测技术研究[D]. 李志新.山西大学 2015
硕士论文
[1]基于波长调制光谱技术的气体遥测系统的研究[D]. 苗澍茁.吉林大学 2019
[2]基于TDLAS的CO浓度检测系统的研究[D]. 张保龙.西安科技大学 2019
[3]基于石英增强光声光谱技术的一氧化碳痕量气体检测研究[D]. 佟瑶.哈尔滨工业大学 2019
[4]基于红外吸收光谱技术的甲烷浓度检测系统研究[D]. 王韬.燕山大学 2019
[5]基于NDIR原理的CO2浓度传感器的制备与研究[D]. 袁博.电子科技大学 2019
[6]基于TDLAS技术的气体检测技术[D]. 颜松岸.华北电力大学(北京) 2019
[7]用于红外激光气体检测的数字正交锁相放大器的研制[D]. 刘慧芳.吉林大学 2017
[8]TDLAS气体检测中二次谐波的锁相放大器的研究[D]. 曹天书.吉林大学 2013
本文编号：3254845
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