基于积分球气室的光学气体检测系统设计与实现

发布时间：2017-04-12 15:08

  本文关键词：基于积分球气室的光学气体检测系统设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,随着人们对自身生活环境的重视,以及大气污染问题层出不穷,如何有效减小有毒、有害气体对人类健康的危害,已经成为当前亟待解决的重要问题,为此,需要对环境中的污染气体进行有效的监测。光谱学气体检测方法由于具有非接触式检测和响应速度快等特点,成为有害气体检测的重要手段,并得到了快速的发展。本课题研究的内容是构建一套基于吸收光谱技术的气体检测平台,并使用二氧化氮气体对系统性能进行了测试。首先,本文介绍了光谱吸收气体定量分析的理论基础——Lambert-Beer定律,并讨论了该定律的适用范围。在此基础之上,考虑到实际运用过程中存在的瑞利散射和米氏散射等环境因素的影响,对Lambert-Beer定律进行了适当的修正,使得修正后的结果更加适合实际情况。在此基础之上,作者重点研究了系统的气室传感单元。由Lambert-Beer定律可知,增加气室传感长度能有效增加系统的检测极限,所以如何设计性能优良的气室成为整个系统的关键技术之一。在对比分析传统气室优缺点的基础之上,提出使用积分球作为系统的吸收气室。光源进入积分球后,在高反射率涂层的作用下,光线在球壁内进行多次来回反射,从而达到增大光程的作用。由于光线在积分球内的传播是随机的,其传感长度的计算不能简单套用传统气室光程的计算方法,因此本文构建了积分球气室光程计算的数学模型,并推导了其等效光程,在讨论开口比以及涂层反射率对等效光程影响的基础之上,完成对积分球气室的设计。最后,设计并构建了基于吸收光谱技术的气体检测实验平台,使用该平台对二氧化氮气体的吸收响应进行了探测,对吸收度和吸收截面进行多项式拟合,得到差分吸收度和差分吸收截面,并通过DOAS光谱吸收技术对实验中配置的二氧化氮浓度进行反演,给出了浓度反演结果和反演误差,实验结果表明本文提出的系统具有较高的稳定性和准确率。
【关键词】：光谱学气体检测 Lambert-Beer定律 积分球 差分光学吸收光谱技术
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X84
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 绪论8-19
• 1.1 研究背景及意义8-10
• 1.2 国内外气体检测研究现状10-18
• 1.2.1 基于化学检测方法研究10-11
• 1.2.2 基于光谱学检测方法研究11-18
• 1.3 论文的主要内容和结构18-19
• 2 气体浓度检测的基本原理19-27
• 2.1 气体分子的能级结构以及吸收光谱19-20
• 2.2 光谱吸收定律20-23
• 2.2.1 Lambert-Beer定律20-22
• 2.2.2 修正后的Lambert-Beer定律22-23
• 2.3 差分光学吸收光谱算法23-26
• 2.3.1 差分光学吸收光谱算法的基本原理23-24
• 2.3.2 差分光学吸收光谱算法可探测的波长范围24-25
• 2.3.3 差分光学吸收光谱算法数据处理步骤和方法25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 3 长光程气体吸收池27-36
• 3.1 气体吸收池设计要求27
• 3.2 传统长光程气体吸收池结构27-31
• 3.2.1 White型气体吸收池28-29
• 3.2.2 Herriott型气体吸收池29-31
• 3.3 积分球气室理论模型31-34
• 3.4 积分球的检测灵敏度和极限34-35
• 3.5 本章小结35-36
• 4 气体检测系统平台设计36-48
• 4.1 气体检测系统描述36
• 4.2 光源的选择36-39
• 4.3 气体吸收池的设计39-45
• 4.3.1 积分球光程的影响因素39-41
• 4.3.2 积分球气室设计41-45
• 4.4 光谱探测器的选择45-47
• 4.5 本章小结47-48
• 5 实验结果及分析48-58
• 5.1 实验装置描述48-49
• 5.1.1 实验装置图48-49
• 5.1.2 实验步骤49
• 5.2 实验数据分析49-56
• 5.2.1 数据预处理49
• 5.2.2 差分吸收截面的获取49-54
• 5.2.3 浓度反演54-56
• 5.3 测量误差分析与结论56-57
• 5.3.1 误差分析56-57
• 5.3.2 实验结论57
• 5.4 本章小结57-58
• 6 总结与展望58-60
• 6.1 全文总结58
• 6.2 展望58-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-66
• 附录66
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录66
• B. 作者在攻读学位期间参加的项目66
• C. 论文中的数据及程序清单66

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本文编号：301529