基于LED光源的离轴石英增强型光声光谱的研究与应用

发布时间：2017-06-18 13:00

  本文关键词：基于LED光源的离轴石英增强型光声光谱的研究与应用，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：石英音叉增强型光声光谱(QEPAS)技术是一种新型的光声光谱检测技术,通过使用一个具有高品质特性的音叉式石英晶振代替传统光声光谱技术中宽带麦克风,使其拥有了动态范围大、结构小型化的特点。通常QEPAS传感器配备声共振管来增强光声信号,进而提高系统的探测灵敏度。共振管一般有两种配置,一种是共轴配置,一种是离轴配置。共轴配置的光声光谱分析仪对光束质量要求高,通常使用激光器作为光源,因此普遍具有仪器成本高、灵活性差等缺点。本文所研究的基于LED光源的离轴石英增强型光声光谱(OB-QEPAS)系统,具有光路调节方便、仪器成本低等优点,其探测灵敏度与共轴设备基本相当,基于该构型的气体传感器易于工业化生产。本课题在系统地研究了离轴石英增强型光声光谱技术特性的基础上,对微型声学共振管进行了理论和实验的研究,建立了离轴共振管最佳尺寸的数学模型,对离轴的声学共振管进行了优化设计。在理论和实验的基础上,结合ARM+Mndows CE软硬件技术设计开发了测量系统。整个系统按照功能划分为四个模块.:①红外光源发射系统②光谱测声模块③ARM控制系统④数据采集系统。本文最后搭建了以CO_2为目标气体,以中心波长在4.36μm的MIR-LED为光源的OB-QEPAS系统来检测系统的灵敏度,并对实验得到的光声信号和浓度之间进行了最小二乘法的线性拟合和数据处理。处理结果最后得到系统的检测极限达到ppm量级,相应的归一化噪声等效吸收系数(NNEA)达到了 10-8量级。实验表明,基于LED光源的OB-QEPAS技术是一种精度高、可靠性好的痕量气体检测方案,为发展低成本、操作方便灵敏的痕量气体检测提供了一种新的技术手段。
【关键词】：OB-QEPAS 共振管 LED光源 ARM 最小二乘法
【学位授予单位】：沈阳理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN312.8;O433.1
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 本文的研究背景及意义11-12
• 1.2 光声光谱技术的国内外研究现状12-15
• 1.3 本文的主要内容及结构15-17
• 第2章 光声光谱检测技术的理论17-30
• 2.1 气体分子红外吸收原理17-20
• 2.1.1 气体分子红外吸收光谱基础17-18
• 2.1.2 吸收定律18-20
• 2.2 光声效应20-21
• 2.3 气体光声光谱检测原理21-22
• 2.4 QEPAS技术22-29
• 2.4.1 QEPAS的基本原理22-23
• 2.4.2 石英音叉的基本特性23-26
• 2.4.3 QEPAS特性研究26-27
• 2.4.4 QEPAS特性测试电路及噪声分析27-29
• 2.5 本章小结29-30
• 第3章 微型声学共振管的理论及实验研究30-42
• 3.1 微型声学共振管在QEPAS中的应用30-31
• 3.1.1 共轴的共振管配置30-31
• 3.1.2 离轴的共振管配置31
• 3.2 离轴声学共振管的优化设计31-40
• 3.2.1 一维声学共振管32-33
• 3.2.2 声学阻抗33-34
• 3.2.3 声学共振管共振频率的确定34-36
• 3.2.4 末端修正36-37
• 3.2.5 声学共振管在OB-QEPAS中的应用37-40
• 3.3 共振管与石英音叉的距离特性40-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第4章 基于LED光源的OB-QEPAS系统的整体设计42-53
• 4.1 红外光源发射系统43-44
• 4.1.1 以MIR-LED作为单色光源43
• 4.1.2 光源驱动电路43-44
• 4.2 光谱测声模块44-45
• 4.3 ARM控制系统45-48
• 4.3.1 最小系统设计45-46
• 4.3.2 RS232接口设计46-47
• 4.3.3 液晶屏接口设计47-48
• 4.4 数据采集系统48-52
• 4.4.1 ADC寄存器49
• 4.4.2 ADC驱动程序实现49-52
• 4.5 本章小结52-53
• 第5章 基于LED光源的OB-QEPAS系统在痕量气体探测中的应用53-63
• 5.1 红外光源的选择54-55
• 5.2 基于LED光源的OB-QEPAS系统对空气中CO_2的探测55-58
• 5.3 实验结果与讨论58-62
• 5.3.1 最小二乘法标定59-60
• 5.3.2 CO_2气体浓度的最小二乘法标定60-62
• 5.4 本章小结62-63
• 结论63-65
• 参考文献65-72
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果72-73
• 致谢73

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