基于腔内增强的气体拉曼光谱分析仪的关键技术研究

发布时间：2020-07-29 20:53

【摘要】：在线气体测量分析技术在诸如石油勘探、石油化工、炼钢等工业生产、过程监控中都起到了非常关键的作用,但是由于深层勘测难度大,因此要求更先进的技术。本论文尝试设计一种激光气体拉曼分析仪,用于对混合气体进行检测和分析。该系统能够检测几乎所有种类的气体,精度高、量程范围广、易操作,而且可以在各种环境和条件下进行气体检测和分析。首先,本文论述了研究本课题的背景意义以及创新点,对几种常见拉曼光谱仪的理论知识做了介绍,着重研究了拉曼光谱的组成、特点及应用,从多方面、多层次表明本课题选择拉曼光谱的依据,并分析了拉曼光谱气体检测技术和谐振腔的国内外研究现状,介绍了几种常用的气体检测方法,证明了拉曼气体检测方法的优势性和可行性,表明了本课题研究的目的,为后面实验系统的构建提供了理论基础,突出了新型拉曼气体系统研究的意义和必要性。其次,文中对激光、常见激光器、光学谐振腔等相关理论基础知识进行了阐述,对本课题选用氦氖激光器以及光学谐振腔来构建分析仪的原因做了解释,并从量子理论方面介绍了气体拉曼散射的原理,进一步为搭建气体拉曼光谱分析仪提供了理论依据。紧接着,在一系列的理论研究的基础上,构建气体拉曼光谱分析仪。本仪器采用25mw的He-Ne激光源作为激发光,其波长为0.6328μm,并且利用高反射率的腔镜来搭建谐振腔;利用高反射镜增强来激发产生拉曼信号,利用小孔光阑在气体腔内有效地抑制杂散光,增加了信噪比;采用不同设计的滤光片和透镜组,实现了多窗口多组分的气体拉曼在线检测;通过对光电检测后端的信号采集电路进行小信号放大设计,提高了p A级的检测灵敏度和信噪比,降低了系统的复杂性。最后,选取了石油中常见的六种气体作为被测样品,在一个标准大气压、流量为100m L/min情况下,分别对含待测气体100%、含待测气体0.1%、含100%纯氩气三种类别气体进行测量和定性定量分析。研究表明,该分析仪能有效检测混合气体的气体组分和浓度,待测气体的检测范围均能达到0.1%-100%。
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74
【图文】：

原理图,发射光谱仪,原理图

图 1.1 发射光谱仪原理图激发光源：指原子发射光谱的光源向试样供给能量，使试样发生蒸发样中的各类元素原子或者离子形成发射光谱。常见的激发源包括电弧、电火花以及电感耦合高频等离子体（Inductively Coupled Plasma，I 分光系统：根据波长的顺序，将光源发射出的各类不同波长的辐射能依光谱的系统，称为色散系统。它决定了光谱仪器的工作范围以及光谱器的核心部件。色散系统有三大作用，分光、转向以及能量传递，分辨本领来表示。 = 1.1)中，是波长，是两条谱线之间的波长差数。检测系统：通过测量谱线的波长和强度来记录光谱。观察测量光谱的利用不同类型的光检测器来实现。早期的检测方式有两种：摄谱法和红外吸收光谱仪λΔλλ Δλ

红外光谱图,跃迁相,光波,能量

偶极矩发生净变化，从而使振-转能级从基发态跃迁至激发态，和这些区域相对应的透射光强会减小。红外光谱图主要用来记录分子吸收红外光的情况，它既能够用于化合物鉴定以及分子结构表征，也能够用于定量分析。下图1.2是光波谱区及能量跃迁的情况。λΔλλ Δλ

红外光谱图,红外光谱图,化合物,波数

图 1.2 光波谱区及能量跃迁相关图通常情况下，横坐标为波长或波数，用来表示吸收峰的位置；纵坐标为吸光光率，用来表示吸收的强度。则： =1 % = 0式(1.3)中，是透过强度，是入射强度。图 1.3 为某化合物的红外光谱图，上方的横坐标是波长，单位为，下方的波数的倒数，用表示，单位为，纵坐标是透光率 %。 /

【相似文献】