基于TDLAS的弱吸收条件下气体浓度测量理论与实验研究

发布时间：2017-10-20 14:10

  本文关键词：基于TDLAS的弱吸收条件下气体浓度测量理论与实验研究

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【摘要】：伴随着工业化进程以及高精尖科学的不断发展,出于经济性和安全性的考虑,对生产生活中气体浓度的实时监测提出了更高的要求。相关的测试技术近些年得到迅速发展,而吸收光谱技术凭借其快速、准确、操作简便等优点迅速成为了研究热点,其中的可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)更是成为了众多研究的焦点。现已广泛应用于诸如,电厂脱硝过程中氨的逃逸率测量、大气污染物监测以及航天工业中极低浓度的气体测量研究等领域,并取得了较好的效果。本文在吸收光谱理论以及谐波检测理论的基础上,对TDLAS技术进行了系统的阐述,通过数值模拟以及实验验证的方式完成了以下工作。首先,设计了适用于实验室条件的TDLAS实验方案,并选购、加工了实验平台组成部件。为证明该方法的优越性,引入传统的直接吸收法进行简单介绍、并通过实验的方式与其进行测量范围、精度的比较。并在此基础上引入怀特池的设计,使得有效光程延长至初始值的12倍,并直接应用到实验中。同时,通过对数据处理方法进行改进,中心频率6982.0678cm-1处低浓度CO2的测量准确性得到了明显改善。实验表明,当使用波长调制技术时,浓度低至100ppm,仍能进行准确测量,测量相对误差仅为2%。另外,为了进一步提高测量精度和灵敏度,本文对连续波衰荡光谱技术进行了初步研究,该方法具备多光程测量以及不受光强波动等因素影响的优点,在弱吸收条件下的气体检测领域有着较好应用前景。文中第五章着重对其测量的优越性进行了仿真验证,同时搭建了初步的实验平台,进行前期实验研究,得到了与仿真计算同样的结果。本文研究成果预期能够对弱吸收条件下气体浓度测量的研究与应用产生一定的促进作用。
【关键词】：可调谐半导体吸收光谱技术 谐波检测 一阶近似 快速傅里叶变换 怀特池
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH83
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题研究背景与意义9-12
• 1.1.1 课题背景9-10
• 1.1.2 传统气体浓度测量方法10-11
• 1.1.3 TDLAS技术的主要特点11-12
• 1.2 TDLAS技术国内外研究现状12-15
• 1.3 本文研究内容15-16
• 第2章 TDLAS技术理论及分析方法16-27
• 2.1 吸收光谱理论16-19
• 2.1.1 Beer-Lambert定律16
• 2.1.2 线强度S(T)16-17
• 2.1.3 线型函数 φ(ν)17-19
• 2.2 直接吸收法19-20
• 2.3 波长调制法20-26
• 2.3.1 二次谐波法23-25
• 2.3.2 免标定法 2f/1f25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第3章 TDLAS测量系统的设计与实现27-37
• 3.1 TDLAS测量系统的搭建27-28
• 3.2 怀特池28-31
• 3.2.1 怀特池原理29-30
• 3.2.2 怀特池调节30-31
• 3.3 激光光源31-34
• 3.4 光纤准直器34-35
• 3.5 光电探测器35
• 3.6 锁相放大器35-36
• 3.7 本章小结36-37
• 第4章 CO_2浓度在线测量37-48
• 4.1 测量背景37
• 4.2 吸收谱线的选取37-39
• 4.2.1 谱线选取原则38-39
• 4.3 谱线分布的仿真计算39-40
• 4.4 实验测量40-47
• 4.4.1 直接吸收法40-42
• 4.4.2 波长调制法42-47
• 4.5 本章小结47-48
• 第5章 连续波光腔衰荡光谱技术理论及分析方法48-65
• 5.1 衰荡光谱技术的原理分析48-50
• 5.2 无源腔的特性分析50-53
• 5.2.1 无源腔模式分析50-52
• 5.2.2 腔的结构分析52-53
• 5.2.3 无源腔的模式匹配53
• 5.3 CRDS测量技术的数值模拟53-58
• 5.3.1 CO_2浓度测量仿真53-56
• 5.3.2 NH_3浓度测量仿真56-58
• 5.4 基于CRDS技术的气体测量系统设计58-61
• 5.4.1 光纤隔离器59
• 5.4.2 模式匹配透镜59-60
• 5.4.3 光电探测器60-61
• 5.5 实验方案的确立以及试验台初步搭建61-64
• 5.5.1 实验方案确立61-62
• 5.5.2 实验平台初步搭建62-64
• 5.6 本章小结64-65
• 第6章 结论与建议65-67
• 6.1 全文总结65-66
• 6.2 未来工作展望66-67
• 参考文献67-70
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果70-71
• 致谢71

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