基于光纤微结构和快速频率调制激光光谱的气体检测方法

发布时间：2017-09-08 05:39

  本文关键词：基于光纤微结构和快速频率调制激光光谱的气体检测方法

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【摘要】：近年来,社会工业生产水平在不断提高,人们的生活质量也在不断改善,但伴随而来的由人们生产生活引起的环境污染问题也在愈发的严重,因此防治污染,保护环境,推行可持续健康发展已经成为现阶段最受关注的社会焦点。气体污染作为最严重的几种污染问题之一,其对于人们的身心健康以及生产生活都有极大的危害,因此对于快速、有效的气体检测技术的研究是非常有实际意义的。作为传统的气体检测传感方法,可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)有着光气作用长度不足,气池体积大而难以小型化,扫频速度慢的局限性。本文针对这一问题提出TDLAS技术结合光纤微结构传感器和快速频率调制技术的新型气体检测传感方案,具体内容如下:(1)阐述了吸收谱型气体检测方法的工作原理,并分析了不同状态下的气体吸收谱的变化趋势;介绍了HITRAN在线模拟数据库及其使用方法,为实际使用改进型TDLAS技术进行气体检测提供了理论基础。(2)设计并搭建光纤微结构加工系统,利用普通单模光纤与光纤石英毛细管进行尝试性加工,观察加工结果并对加工系统进行调试与优化,分析不同加工方法对加工结果的影响。设计并制作了一种利用1.4 m光子带隙光纤作为容纳待测气体的微型气池的光纤微结构传感器。搭建检测光路,对其进行性能测试,测试结果与HITRAN模拟结果基本一致,证明了该传感器能够检测极低的气体粒子密度。(3)在传统TDLAS技术的基础上,利用外加射频调制模块实现快速扫频,首次在通信波段观测到乙炔气体透射谱中的快速通过现象(Rapid Passage)。改变实验条件,观察了快速通过现象发生时间与气池内气体粒子密度关系。改变实验条件对抽至不同气压的乙炔气体透射谱进行测量,观察其透射率与气体粒子密度的关系。利用电磁阀模拟一个气体环境快速变化的动态过程,采集整个充气过程透射率的变化,其结果能用比尔-朗伯定律解释。
【关键词】：气体检测 TDLAS 光纤微结构传感器 快速扫频 乙炔
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X831;TN247;TP212
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-21
• 1.1 课题的研究背景和目的意义9
• 1.2 气体检测方法分类简述9-11
• 1.2.1 非光学式气体检测方法10
• 1.2.2 光学式气体检测方法10-11
• 1.3 国内外研究现状11-19
• 1.3.1 TDLAS技术研究现状11-13
• 1.3.2 光纤微结构型气体检测传感器研究现状13-16
• 1.3.3 光学快速扫频技术研究现状16-19
• 1.3.4 论文提出改进方案19
• 1.4 论文主要内容19-21
• 第2章 吸收谱型气体检测方法的基本原理21-32
• 2.1 引言21
• 2.2 气体分子的选择吸收特性21-22
• 2.3 近红外气体吸收光谱发生原理简述22-25
• 2.3.1 比尔-朗伯定律22-24
• 2.3.2 乙炔气体分子的近红外吸收光谱24-25
• 2.4 气体分子吸收光谱线型及谱宽分析25-29
• 2.4.1 吸收线强25-26
• 2.4.2 洛伦兹线型26-27
• 2.4.3 高斯线型27
• 2.4.4 佛克托线型27-29
• 2.5 HITRAN数据库介绍及乙炔吸收谱模拟29-31
• 2.6 本章小结31-32
• 第3章 光纤微结构气体检测传感器的制备及其性能测试32-44
• 3.1 引言32
• 3.2 组装显微光纤操作系统32-34
• 3.3 光纤微结构气体检测传感器设计方案34-36
• 3.4 光纤微结构传感器制作方法36-39
• 3.4.1 剥离光子带隙光纤涂覆层36-37
• 3.4.2 制作光纤连接结构37-39
• 3.5 光纤微结构传感器性能测试39-43
• 3.6 本章小结43-44
• 第4章 基于快速频率调制激光的乙炔气体吸收光谱测量44-59
• 4.1 引言44
• 4.2 吸收光谱快变信号产生原理44-47
• 4.3 传统TDLAS气体检测方法测试结果47-48
• 4.4 乙炔气体吸收光谱快变信号的测量48-53
• 4.4.1 光路系统设计及搭建48-49
• 4.4.2 实验结果及其分析49-53
• 4.5 快速扫频乙炔气体透射谱测量53-58
• 4.5.1 快速频率调制光路系统设计与搭建53-54
• 4.5.2 乙炔气体粒子密度梯度实验54-56
• 4.5.3 利用电磁阀模拟气体环境快速变化的动态过程测量56-58
• 4.6 本章小结58-59
• 结论59-60
• 参考文献60-65
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文65-67
• 致谢67

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本文编号：812210