基于光声光谱双光程甲烷传感器设计与实现

发布时间：2020-03-31 00:25

【摘要】：甲烷(CH_4)气体无色、无味,但却易燃、易爆,排放到大气中会产生温室效应,使地球气候变暖,因此对甲烷气体的监测或检测有非常现实的意义。光声光谱技术具有探测灵敏度高、动态范围大、对波长没有选择性等一系列优点,已经被广泛的使用在痕量气体检测领域中。本文首先阐述了光声光谱技术的理论,并从光声池的结构设计角度提出了光束两次通过光声池的双光程方案,使用新设计的光声池搭建了甲烷气体传感系统,并对甲烷气体进行了探测,获得了很好的结果。光声光谱技术原理从信号产生机理和探测的过程上来说包括:光源的调制、气体红外吸收、热的产生、声的激发、弱信号的检测和提取等。本文对气体分子的红外吸收过程作了详细的介绍;对光声信号的产生过程作了详细的推导;对波长调制技术原理进行了深入的分析;对锁相放大器和微音器的工作过程进行了相关的讨论。光声光谱系统中的核心器件是光声池。本文对光声池的设计原则,光声池结构和材料的选取做了相关介绍,并以标准的圆柱状的光声池为例,分析了池中的声场分布,计算得到了池中声信号的幅值,为光声池结构的设计,性能的优化,以及双光程光路的设计提供了依据。在本论文实验部分,利用甲烷气体分子2ν_3带的吸收光谱特性,以1.65μm的蝶形分布反馈式(DFB)激光器作为光源,结合设计的大内径共振光声池,发展了一款用于探测甲烷的双光程光声光谱气体传感器。在光声光谱中,由于光声信号幅值与光学吸收路径成正比,因此对光的吸收路径增加一倍,则光声信号的强度也会增加一倍。实验中一面具有高反射率的平面镜被安装在光声池的光路出口处,入射光通过光声池后被平面镜反射,二次通过光声池。为了获取最佳的信噪比,一系列的优化实验被执行,包括光声池响应频率特性优化,激光器调制深度优化,气体流速优化。通过对传感器性能的评估,获得的探测灵敏度为0.21ppm,归一化噪声等效吸收系数(1σ)的值为2.1×10~(-8)cm~(-1)·W·Hz~(-1/2)。我们还在实验上对光束单次和双次通过传感系统产生的信号进行了对比,其实验结果和理论一致。该传感器由于使用性价比较高的近红外DFB激光二极管作为激励源,其装置结构简单,成本低,可以满足对大气环境的检测、瓦斯矿井的监测、工业生产过程的控制等其它领域的探测需求。
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O657.3;TP212

【参考文献】