基于QCL的红外一氧化碳检测系统研究

发布时间：2017-08-03 23:19

  本文关键词：基于QCL的红外一氧化碳检测系统研究

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【摘要】：一氧化碳是煤矿爆炸和煤矿火灾的主要元凶及有毒有害气体产物之一。一方面,一氧化碳的爆炸极限约为百分之十二到百分之七十四,在这样宽的范围内与空气混合极易发生爆炸。另一方面,一氧化碳常被看作预防煤矿火灾的主要指标,在煤矿火灾事故发生时,通常较早、快速而且大量地生成一氧化碳。与此同时,一氧化碳也是大气化学、环境监测、工业过程控制以及生命科学等众多领域的示踪物。所以,无论对于煤矿安全监测,还是大气化学、环境监测、工业过程控制以及生命科学研究等诸多领域,研制具有高选择性、高灵敏度、低响应时间、性能稳定的一氧化碳检测系统,具有十分重要的现实意义。本课题来源于国家科技支撑计划项目“煤矿突水、火灾等重大事故防治关键技术与装备研发”,课题名称:煤矿用红外CO检测仪(传感器)研发(项目编号:2013BAK06B00,课题编号:2013BAK06B04)。红外光源在基于红外光谱技术的气体检测系统中起着举足轻重的作用,它既决定了红外光谱检测技术的种类,又与系统关键参数(如检测下限、系统稳定度等)相关,所以使光源安全、稳定、高效的工作十分必要。针对脉冲型和连续型分布反馈量子级联激光器,设计并制作了两款专用驱动电源。其中,脉冲式驱动电源依“多级隔离”思想实现,具有纳秒级的上升/下降时间,200ns的过流保护响应时间,0.004%的输出电流线性度和2.5×10-5的输出电流长期稳定度。连续式驱动电源以应用于波长调制光谱技术为目的,兼具直流与调制双重工作模式,并且集成了温度控制功能。其过流保护响应时间约为43ns,输出电流线性度为0.007%,输出电流长期稳定度3.0×10-5,控温精度可达±0.005℃。针对一氧化碳气体在中红外区域的吸收特征,利用中红外量子级联激光器,设计并搭建了一套基于直接吸收红外光谱检测技术的气体检测系统。其中,作为系统光源的脉冲式分布反馈量子级联激光器,能够工作于室温条件下,其中心波长为2103cm-1,而且具有较高的发光功率。为了降低光源波动、系统噪声并改善测量精度和检测灵敏度,本系统将脉冲幅度调制、脉冲频率调制、相敏检测以及软件滤波等技术相结合,达到了良好的效果。实验表明,当选择一氧化碳位于2103.2697cm-1处的P(10)吸收谱线时,在空气压力以及1秒采样率的条件下,系统的最低浓度检测限为25ppm。与此同时,对系统的长期稳定性进行了分析,结果表明,在一氧化碳浓度处于100ppm和1000ppm的条件下,2小时的时间内,系统稳定度分别为0.037和0.007。为了提高红外一氧化碳检测系统的整体性能,设计并搭建了基于连续式量子级联激光器的检测平台。该检测系统以能够室温工作、中心波长为2099cm-1的连续式分布反馈量子级联激光器为核心,并结合波长调制光谱检测技术、差分吸收光谱检测技术以及相敏检测技术等,有效地降低了光源波动、系统噪声的影响并改善了系统的测量精度和检测灵敏度。实验表明,当选择一氧化碳位于2099.083cm-1处的P(11)吸收谱线时,在空气压力以及1秒采样率的条件下,系统的最低浓度检测限为0.42ppm。与此同时,采用阿兰偏差对系统的长期稳定性进行了分析,结果表明,在最优积分时间为128s时,系统能够实现0.05ppm的测量精度。本痕量气体检测平台的优越性能,使其不仅能够适应于矿井安全应用,而且能够满足大气化学、环境监测、工业过程控制以及生命科学等诸多领域对一氧化碳的检测需求。创新点:1、分别建立了基于脉冲式量子级联激光器的CO检测系统的直接光谱吸收实验模型和基于连续式量子级联激光器的CO检测系统的波长调制和差分光谱吸收混合实验模型。用于模拟和估计在包括目标气体浓度、吸收路径长度、温度、压力和波长等不同实验条件下,系统输出的变化情况。2、针对中心波长为2103cm-1的脉冲型分布反馈量子级联激光器,设计并研制了脉冲驱动电源。为了提高系统的的抗干扰能力,该电源依“多级隔离”思想实现。同时,深度电压负反馈与比例-积分-微分软件算法相结合,提高了输出电流的稳定度。另外,它还具备高稳定的供电系统和较完善的保护系统。3、针对中心波长为2099 cm-1的连续型分布反馈量子级联激光器,设计并研制了连续型驱动电源。该电源兼具直流与调制双重工作模式,而且能够对激光器进行高精度温度控制,控温精度可达±0.005℃。此外,驱动电源的电流监测、系统保护等功能能够有效确保激光器安全稳定的工作。这是国内首次针对连续型量子级联激光器设计具有调制功能的单板驱动电源并对其进行驱动。4、利用国内自主研制的中心波长为2099 cm-1的连续型分布反馈量子级联激光器,并结合波长调制光谱检测技术、差分吸收光谱检测技术以及相敏检测技术对低浓度一氧化碳气体进行探测。国内尚无这方面研究。
【关键词】：一氧化碳 光谱 红外 量子级联激光器 驱动电路
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD712
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 第1章 绪论14-40
• 1.1 课题的研究意义及来源14-16
• 1.1.1 课题的研究意义14-16
• 1.1.2 课题的来源16
• 1.2 以量子级联激光器为代表的红外光源16-21
• 1.2.1 红外光源的种类16-20
• 1.2.2 红外光源的选择20-21
• 1.3 以光电探测器为代表的红外探测器21-24
• 1.3.1 红外探测器的种类21-24
• 1.3.2 红外探测器的选择24
• 1.4 基于QCL的红外一氧化碳检测技术24-37
• 1.4.1 量子级联激光器25-27
• 1.4.2 国外基于QCL的红外一氧化碳检测研究进展27-34
• 1.4.3 国内基于QCL的红外一氧化碳检测研究进展34-37
• 1.5 本论文的主要研究内容与创新点37-40
• 1.5.1 本论文的主要研究内容37
• 1.5.2 本论文的创新点37-40
• 第2章 红外气体检测原理与技术40-66
• 2.1 分子光谱理论40-47
• 2.1.1 分子红外光谱的机理40-42
• 2.1.2 分子能级结构42-44
• 2.1.3 红外光谱的特性44-47
• 2.2 朗伯-比尔定律的描述47-50
• 2.2.1 朗伯-比尔定律的公式推导48-49
• 2.2.2 应用朗伯-比尔定律时的注意事项49-50
• 2.3 一氧化碳的红外吸收光谱50-56
• 2.3.1 一氧化碳的光谱吸收特性50-52
• 2.3.2 选择合适的吸收谱线52-56
• 2.4 红外光谱检测技术56-63
• 2.4.1 NDIR光谱检测技术56-57
• 2.4.2 长光程光谱检测技术57-59
• 2.4.3 波长/频率调制光谱检测技术59-60
• 2.4.4 腔增强光谱检测技术60-61
• 2.4.5 光声光谱检测技术61-63
• 2.5 本章小结63-66
• 第3章 量子级联激光器驱动电源的设计与研制66-94
• 3.1 引言66-67
• 3.2 脉冲式驱动电源的设计与研制67-79
• 3.2.1 系统原理68-69
• 3.2.2 系统硬件电路设计69-75
• 3.2.3 系统测试75-79
• 3.3 连续式驱动电源的设计与研制79-92
• 3.3.1 系统原理79-81
• 3.3.2 系统硬件电路设计81-88
• 3.3.3 系统测试88-92
• 3.4 本章小结92-94
• 第4章 基于脉冲式量子级联激光器的CO检测系统设计与实现94-122
• 4.1 系统实验模型的建立94-98
• 4.1.1 电光调制95
• 4.1.2 气体吸收95-96
• 4.1.3 光电转换96-97
• 4.1.4 解调处理97-98
• 4.2 一氧化碳吸收谱线分析98-103
• 4.2.1 激光器的输出特性98-100
• 4.2.2 探测器的响应特性100-101
• 4.2.3 吸收谱线强度101-102
• 4.2.4 非目标分子干扰的影响102-103
• 4.3 系统搭建103-116
• 4.3.1 光学部分103-106
• 4.3.2 电学部分106-114
• 4.3.3 配气系统114-116
• 4.4 系统测试与结果116-119
• 4.4.1 最低检测限与响应时间116-117
• 4.4.2 检测精度与误差117-118
• 4.4.3 稳定性测试118-119
• 4.5 本章小结119-122
• 第5章 基于连续式量子级联激光器的CO检测系统设计与实现122-154
• 5.1 系统实验模型的建立122-127
• 5.1.1 电光调制123
• 5.1.2 气体吸收123-124
• 5.1.3 光电转换124-125
• 5.1.4 解调处理125-127
• 5.2 一氧化碳吸收谱线选择127-132
• 5.2.1 量子级联激光器的输出特性127-129
• 5.2.2 探测器的响应特性129-130
• 5.2.3 吸收谱线强度130-131
• 5.2.4 不相干分子干扰的影响131-132
• 5.3 系统搭建132-148
• 5.3.1 光学部分132-136
• 5.3.2 电学部分136-147
• 5.3.3 配气系统147-148
• 5.4 系统测试与结果148-152
• 5.4.1 最低检测限与响应时间148-150
• 5.4.2 检测精度与误差150-151
• 5.4.3 稳定性测试151-152
• 5.5 本章小结152-154
• 第6章 总结与展望154-158
• 6.1 主要研究内容与结论154-156
• 6.2 论文创新点156
• 6.3 工作展望156-158
• 参考文献158-170
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果170-172
• 致谢172

【参考文献】

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本文编号：616782