基于中红外激光吸收光谱的呼气检测系统开发

发布时间：2023-08-25 19:50

　　呼出内源性气体具有与人体生理代谢密切相关的标志性信息,通过检测相应呼出气体成分与浓度可对疾病进行快速无创诊断。可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)作为一种高灵敏、高特异性及测量系统简单稳定的光谱学测量方法,易于实现呼出气体的实时在线检测。本文应用TDLAS对基于中红外吸收光谱呼气检测中的关键技术进行了研究,具体工作如下:第一,呼出气体激光光谱检测系统的设计与验证。针对呼气分析中高灵敏、快速响应、方便取样和多组分同时检测的实际需求,选择辐射波长为9.56μm的量子级联激光器(QCL)作为光源,其扫描范围内可覆盖氨气、乙烯和二氧化碳等气体的吸收。在研究了QCL调制特性的基础上,基于长光程小体积的环形气体吸收池,集成开发了一套包含呼气采集等模块的实时在线气体检测系统。采用一次谐波归一化二次谐波的波长调制光谱(WMS-2f/1f)技术实现气体免标定测量。通过氨气和乙烯混合气体的测量实验,验证了系统的可行性和有效性。结果表明,氨气和乙烯的最低检测限分别为7.4ppb和44.7ppb,对应的最佳积分时间分别为4.52s和3.12s。第二,基于多谱线拟合算法、BP神经网络算法的多组分气体浓度反...

【文章页数】：76 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 呼气检测技术的概括研究
        1.2.1 用于呼气检测的技术方法
        1.2.2 国内外研究现状
            1.2.2.1 国外呼气分析研究现状
            1.2.2.2 国内呼气分析研究现状
        1.2.3 呼气成分激光检测的挑战
    1.3 可调谐激光光谱技术在呼气检测的发展
    1.4 本文的主要研究内容
第二章 基于可调谐激光光谱技术的测量理论
    2.1 气体分子红外吸收光谱
        2.1.1 气体吸收谱线线强
        2.1.2 谱线线型函数
    2.2 可调谐激光光谱技术原理
        2.2.1 Beer-Lambert定律
        2.2.2 直接吸收光谱技术
        2.2.3 波长调制光谱技术
    2.3 多组分气体浓度反演算法
        2.3.1 多谱线拟合法
        2.3.2 特征提取结合BP神经网络算法
            2.3.2.1 BP神经网络
            2.3.2.2 特征提取方法
    2.4 本章小结
第三章 呼出气体检测系统设计
    3.1 中红外吸收谱线的分析与选定
        3.1.1 9.56μm波段的吸收谱线分析
        3.1.2 干扰分析
    3.2 系统构成
        3.2.1 检测系统的整体设计
        3.2.2 采集样气模块
        3.2.3 激光光源
        3.2.4 长光程红外吸收池
        3.2.5 信号接收处理模块
    3.3 本章小结
第四章 呼气检测实验
    4.1 基于波长调制技术的氨气-乙烯混合气体检测
        4.1.1 最优调制幅度
        4.1.2 测量信号及结果分析
        4.1.3 基于多谱线拟合的浓度反演
            4.1.3.1 仿真验证
            4.1.3.2 仿真结果与分析
            4.1.3.3 算法实际应用测量结果
        4.1.4 基于BP神经网络的浓度反演
            4.1.4.1 构造仿真训练样本和仿真验证样本
            4.1.4.2 主成分分析结合BP神经网络模型建立
            4.1.4.3 网络模型的应用结果与分析
    4.2 氨气和乙烯检测系统性能评价
    4.3 基于波长调制技术的二氧化碳检测
    4.4 人体呼吸二氧化碳实时检测
    4.5 二氧化碳检测系统性能评价
        4.5.1 检测限
        4.5.2 线性度
    4.6 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 本文研究工作总结
    5.2 研究工作展望
参考文献
发表论文和参加科研情况
致谢



本文编号：3843207