红外激光气体分析仪的关键问题研究
发布时间：2024-03-03 11:09
火灾是威胁公众安全和社会发展最频繁和常见的灾难之一。每年,火灾造成的死亡人数是飓风、龙卷风、洪水、地震总和的20倍,给人民的生命财产安全造成了极大的威胁。无论在任何领域,防火都是重中之重。因此,研制一种火灾探测器具有非常重要的意义。本论文来源于国家重点研发计划课题,课题名称为:复杂环境下可靠性与安全性监测方法研究(项目编号:2016YFD0700101);以及国家自然科学基金委员会重大仪器研制专项,项目名称为:新型红外瓦斯和一氧化碳检测仪的研究(项目编号:61627823)。在火灾发生的初期,由于燃烧物与氧气接触不充分而发生不充分燃烧,会产生一氧化碳气体,即一氧化碳气体的产生早于火苗的产生,因此,使用传感器监测空气中一氧化碳气体的浓度,对早期火灾的探测有很大的帮助。基于此,本论文工作的目标是研制一种基于红外吸收光谱技术的气体分析仪,检测一氧化碳气体,预防火灾。重点研究了其中的两项关键问题:1)长光程气体吸收池的设计与研制,2)高灵敏、快速响应、便携式的信号处理电路。本论文的主要内容包括:本论文首先建立了赫里奥特气室的数学模型,基于该模型,计算了当光在气室内不断反射时,镜子上的反射光斑的...
【文章页数】：123 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 气体传感器的分类与特点
1.2.1 催化燃烧式气体传感器
1.2.2 半导体式气体传感器
1.2.3 电化学式气体传感器
1.2.4 红外式气体传感器
1.3 多反射气体吸收池的发展过程与研究进展
1.3.1 怀特气室
1.3.2 赫里奥特气室
1.4 信号提取算法的分类与研究进展
1.5 本论文的主要研究内容与创新点
1.5.1 本论文的主要研究内容
1.5.2 本论文的创新点
第二章 红外气体检测原理
2.1 分子光谱理论
2.1.1 分子红外光谱的形成
2.1.2 光谱线的形状和展宽
2.2 红外气体检测原理
2.2.1 朗伯-比尔定律
2.2.2 红外气体传感器的特点
2.2.3 红外气体传感器的组成元件
2.3 TDLAS检测原理
2.4 本章小结
第三章 赫里奥特气室模型的建立与优化
3.1 赫里奥特气室的基本数学模型
3.1.1 设定赫里奥特气室的入口参数
3.1.2 球面镜数学模型
3.1.3 光线数学模型
3.1.4 光线的出射条件
3.1.5 反射光斑大小的计算
3.1.6 光程的计算方法
3.1.7 反射光斑的能量分布
3.1.8 光斑分布形状的调节
3.2 赫里奥特气室的优化
3.2.1 空间赫里奥特气室的模型
3.2.2 圆形反射光斑的条件
3.2.3 光斑反射次数的计算
3.2.4 单环赫里奥特气室的最小体积
3.2.5 多环反射
3.2.6 密集型光斑分布
3.2.7 光路的调节
3.3 本章小结
第四章 赫里奥特气室的设计与实验
4.1 设计双环赫里奥特气室的机械结构
4.2 实验准备
4.2.1 建立基于双环赫里奥特气室的气体实验平台
4.2.2 气体吸收线
4.2.3 优化调制深度
4.2.4 设置激光器扫描参数以及采集数据
4.3 测量双环赫里奥特气室的光程
4.4 本章小结
第五章 频谱分析仪的设计
5.1 频谱分析仪的设计
5.1.1 频谱分析仪的硬件电路设计
5.1.2 频谱分析仪的软件设计
5.2 二次谐波提取算法
5.2.1 锁相放大算法与分段傅里叶变换算法
5.2.2 OLA算法与SFFT算法的比较
5.3基于频谱分析仪的气体实验
5.3.1 频谱分析仪的实物图
5.3.2 建立实验平台
5.3.3 基于OLA算法的气体检测实验
5.3.4 基于OS-FFT算法的气体检测实验
5.3.5 实验总结
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 主要研究内容与结论
6.2 论文创新点
6.3 下一步工作展望
参考文献
作者简介及在学期间所取得的科研成果
致谢
本文编号：3917696
【文章页数】：123 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 气体传感器的分类与特点
1.2.1 催化燃烧式气体传感器
1.2.2 半导体式气体传感器
1.2.3 电化学式气体传感器
1.2.4 红外式气体传感器
1.3 多反射气体吸收池的发展过程与研究进展
1.3.1 怀特气室
1.3.2 赫里奥特气室
1.4 信号提取算法的分类与研究进展
1.5 本论文的主要研究内容与创新点
1.5.1 本论文的主要研究内容
1.5.2 本论文的创新点
第二章 红外气体检测原理
2.1 分子光谱理论
2.1.1 分子红外光谱的形成
2.1.2 光谱线的形状和展宽
2.2 红外气体检测原理
2.2.1 朗伯-比尔定律
2.2.2 红外气体传感器的特点
2.2.3 红外气体传感器的组成元件
2.3 TDLAS检测原理
2.4 本章小结
第三章 赫里奥特气室模型的建立与优化
3.1 赫里奥特气室的基本数学模型
3.1.1 设定赫里奥特气室的入口参数
3.1.2 球面镜数学模型
3.1.3 光线数学模型
3.1.4 光线的出射条件
3.1.5 反射光斑大小的计算
3.1.6 光程的计算方法
3.1.7 反射光斑的能量分布
3.1.8 光斑分布形状的调节
3.2 赫里奥特气室的优化
3.2.1 空间赫里奥特气室的模型
3.2.2 圆形反射光斑的条件
3.2.3 光斑反射次数的计算
3.2.4 单环赫里奥特气室的最小体积
3.2.5 多环反射
3.2.6 密集型光斑分布
3.2.7 光路的调节
3.3 本章小结
第四章 赫里奥特气室的设计与实验
4.1 设计双环赫里奥特气室的机械结构
4.2 实验准备
4.2.1 建立基于双环赫里奥特气室的气体实验平台
4.2.2 气体吸收线
4.2.3 优化调制深度
4.2.4 设置激光器扫描参数以及采集数据
4.3 测量双环赫里奥特气室的光程
4.4 本章小结
第五章 频谱分析仪的设计
5.1 频谱分析仪的设计
5.1.1 频谱分析仪的硬件电路设计
5.1.2 频谱分析仪的软件设计
5.2 二次谐波提取算法
5.2.1 锁相放大算法与分段傅里叶变换算法
5.2.2 OLA算法与SFFT算法的比较
5.3基于频谱分析仪的气体实验
5.3.1 频谱分析仪的实物图
5.3.2 建立实验平台
5.3.3 基于OLA算法的气体检测实验
5.3.4 基于OS-FFT算法的气体检测实验
5.3.5 实验总结
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 主要研究内容与结论
6.2 论文创新点
6.3 下一步工作展望
参考文献
作者简介及在学期间所取得的科研成果
致谢
本文编号：3917696
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