吸收光谱法气体传感器的背景干扰消除和关键性能提升
发布时间：2020-07-19 23:43
【摘要】：对有毒、有害、易燃、易爆气体进行快速准确的在线监测与预警是保证工农业生产安全、居民生活安全的重要一环,也是不断推进《中国制造2025》的重要保障。待测气体组分含量可能在百万分之一量级或者以下,测量场景也往往涉及高温高压、组分多样化等复杂环境。例如,我国正在建设的“天宫”空间站、“北斗”导航系统、“嫦娥”系列卫星为代表的航天、探月工程和国产航母、“蛟龙号”载人潜水器为代表的海洋、深海运载技术,飞行器和运载舱内外都需要对痕量气体进行严格监测,以保障人员的生命安全和设备的正常运行;十九大指出,绿色发展理念和生态文明建设是我们中华民族永续发展的千年大计,为了满足美丽中国、科学发展的需求,需要对火力发电、工业生产、汽车尾气排放等过程中燃烧排放的残留物进行严格监控;同时,能源是人类文明不断发展进步的发动机,是事关国计民生、国家安全的大事,在能源的开采开发过程中,安全开采一直是能源行业高度重视的课题,甲烷、乙炔等烯烃类可燃气体的实时在线监测在煤、石油、天然气的开采和输送过程中至关重要。随着中国在特高压领域快速的发展,高压设备内相关绝缘气体监测是电厂安全输电、居民安全用电的重要保障;随着近几年频繁爆发的食品、药品安全事件,食药安全问题已经引起政府相关部门的高度重视,对食品药品的一系列抽样检测中涉及最广的一项是包装材料阻隔性能和包装残留检测,这就要求气体传感系统具有高的测量灵敏度和响应速度以保证生产效率。光纤气体传感器因为其本征安全、抗电磁干扰、耐高温高压,易远程传输和复用等多种优势越来越受到研究人员的重视,不仅如此,在实际的工农业生产中也逐渐应用开来。光纤气体传感器的基本原理是检测气体对特定波长处的光功率吸收,在低浓度情况下,这种光功率变化非常微弱,因此寻找高灵敏度的检测方法一直是光纤气体传感最重要的研究内容。差分吸收法是最常用的消除背景噪声的检测方法之一,但除了气体吸收之外还存在引起两路差分输出的其他干扰因素,因此差分法的灵敏度和可靠性受到外部环境波动的限制。谐波法通过对光源附加高频调制,利用锁相放大器对吸收产生的谐波信号进行探测,能够大幅提升系统信噪比,然而,因强度调制带来的剩余幅度调制干扰对最终信号提取带来影响。怀特池等多次往返设计能够有效增加气体吸收光程,配合谐波法检测系统,进一步提升了测量灵敏度,但体积大、易受环境影响等因素限制了其在一些特定场合中的应用。除此之外,多次往返吸收池每增加一倍吸收光程都会大幅增加设计难度和加工成本。激光内腔衰荡光谱能有效增强气体的吸收,显示了非常好的前景,但仍然摆脱不了强背景光对探测器饱和的影响。光声光谱气体传感技术通过探测激光吸收激发的声波信号来分析气体浓度,摆脱了背景光和背景吸收的干扰,然而,激发光功率较低一直是限制光声信号提升的一个瓶颈。除此之外,由于以上方法全部基于谱线吸收幅值检测,不可避免地受到吸收谱线线型的影响。在压强改变、背景气体复杂多变的测量环境下,吸收谱线的线型偏移和展宽是必然发生的,这将直接导致原先已标定好的气体传感系统失灵。特别是复杂背景气体的干扰,目前工程上尚没有好的解决方案。本论文主要针对以上气体传感系统在实际工程应用中涉及到的关键技术,为消除各类背景干扰提出了一系列解决方法,着力提高气体传感系统的检测极限和抗背景干扰能力,本论文的主要内容包括:1.介绍了基于催化燃烧法、电化学法等传统气体检测方法的检测原理的优缺点,详细介绍了基于可调谐激光吸收光谱的直接吸收光谱技术和光声光谱技术的检测原理和它们的国内外研究现状。2.详细介绍了分子的光谱吸收理论,包括Beer-Lambert定律、吸收谱线线强理论、吸收谱线线型函数理论。3.从器件选取及测试、吸收谱线选取等方面详细研究了构建一套直接吸收光谱法的气体检测系统的基本流程和注意事项,介绍了扫描吸收光谱法和波长调制光谱法的系统结构、工作方式和吸收信号解调原理,设计了上述方法中所用到的减法、除法、BRD、锁相放大器的信号解调电路并解释了其对浓度解调的工作机理,作为拓展延伸,研究了一种基于矢量锁相的相位检测模块,能够从幅值时变的复杂弱信号中精确测得待测频率的相位。4.研究了直接吸收光谱法气体传感系统中存在的背景干扰,提出了相应的解决方法。以水蒸气检测为例,从额外吸收性背景干扰和非吸收性背景干扰两方面分析干扰因素的主要来源,额外吸收性背景干扰来源于光学器件封装过程中引入的背景气体吸收,研究了光电探测器配对、长光程吸收池稀释、无水光学器件三种手段降低额外背景气体吸收的干扰,将水蒸气传感系统的额外背景等效吸收从727.7 ppm降到1.7 ppm;分析了气体传感系统中非吸收性功率波动的来源,研究了减法、除法、BRD解调电路在面对非吸收性功率波动时的不同表现效果,研究了一种单光路吸收峰解调算法,能够抑制非吸收性功率波动对测量信号的干扰。5.介绍了光声光谱法气体检测技术,根据光声信号检测方式的不同分别介绍了聚声腔型光声光谱、法珀腔型光声光谱和石英音叉增强型光声光谱气体传感系统。重点研究了石英音叉增强型光声光谱气体传感系统,优化了在光声光谱应用中的激光器扫描频率、波长调制系数;在长达8个月的时间里研究了石英音叉中心频率、声音检测效率的长期稳定性;通过实验对比了几种光声共振结构,最后得出共轴双管型共振结构在标准石英音叉光声检测中能够起到最好的光声增强效果,且工程化难度相对较低。为了提升光声光谱气体传感系统的测量灵敏度,研究了一种基于二次谐波的波长校准技术,该技术使我们能够通过压缩锁相放大器滤波带宽和对结果进行多次平均,最终将系统信噪比提升一个数量级以上;基于微型准直器,设计了一种往返光声增强结构,在不引入多余噪声的情况下将光声信号提升近一倍。6.将干涉理论和吸收光谱技术相结合,提出了一种傅里叶域光学相干吸收光谱技术,该技术能够实现吸收谱线面积检测和分布式气体检测,对不同压强、不同背景气体下造成线型函数对测量结果的影响有抑制作用,建立了相应的理论模型,通过模拟和实验验证了该理论用于气体检测的可行性。本论文的创新点有:1.提出一种单光路吸收峰解调算法,该算法不需借助参考光路和参考信号,能够将带有吸收峰信息的扫描基线拉平,获取吸收峰信号用于气体浓度解调,同时,该算法中集成了光功率归一化系数,理论上能够完全消除非吸收性功率波动对测得吸收峰信号的干扰,经实验验证具有良好的效果。2.研究了激光器扫描频率对光声光谱气体传感系统的光声信号的影响,光声信号的产生是通过物质对光子能量的吸收后产生热,进而转换成压力波即声波的形式,与光电探测器对光的高速探测不同,光声信号的产生和检测涉及到能量的转化、积累和传播,因此扫描频率不能太快,本文优化了光声光谱气体检测应用中的扫描频率,以获得最大的光声信号;通过实验优化了波长调制系数m,得出了实际应用中最优调制系数并不一定是2.2的论断并给出了解释;对石英音叉增强型光声光谱气体检测系统中光声检测元件裸露的石英音叉,进行了长达8个月的长期稳定性实验,实验涉及其中心频率、声音探测效率,实验发现裸露音叉长期暴露在空气环境中,其中心频率会发生偏移,声音探测效率也会随之下降。3.为了提升光声光谱气体检测系统测量灵敏度,提出一种基于二次谐波峰值的波长校准技术,该技术与定波长-波长调制技术相结合,能够避开光声光谱气体检测系统中光源扫描频率的限制,使得压缩锁相放大器滤波带宽和对测量结果进行多次平均成为可能,大幅提升检测系统的信噪比,实验结果表明信噪比提升一个数量级以上;设计了一种小型化往返型光声共振增强光路,在不引入多余噪声的前提下将光声信号提升了近一倍。4.提出傅里叶域光学相干吸收光谱技术,将干涉理论与吸收光谱相结合,该技术具有吸收谱线线型内吸收面积检测的特点,对压强、背景气体引起的吸收线型展宽对幅值检测方法的影响有抑制作用,此外,通过对该方法测得的干涉信号进行傅里叶变换,能够实现分布式气体检测。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212
【图文】：
１．２．１催化燃烧法逡逑催化燃烧法气体传感器顾名思义是靠检测待测气体的燃烧现象来测量可燃气逡逑体在空气中的含量［１５］邋［１６］。其内部结构如图１．邋１所示，催化燃烧传感器内部逡逑由两段铂丝电阻组成，一段上面覆盖燃烧催化剂为检测片，另一端则没有覆盖燃逡逑烧催化剂为补偿片，当传感器与待测的可燃气体接触时，可燃气体在催化剂的作逡逑用下发生无焰燃烧，使得检测片的铂丝电阻阻值升高，而补偿片的铂丝电阻没有逡逑变化，通过测量检测片与补偿片之间的电阻差来分析待测气体浓度。逡逑洒净的空￥逦当存在可燃气体时逡逑扑焌？0逡逑Ｒ？二逦ｎｏ邋ｃａｔｊｉｙａｔ逦ＲＱ逦丨、电ＳＩ无逡逑＼逦４：邋，逦ｆ＂＂邋＼逡逑Ｐｔｕｎｗｉｓ逦＜，：逦ｗ逦＿逦Ｐｔ邋加热器逡逑—邋逦邋逦逡逑v洌祝模╁危遥模蹋义危ǖ缰胺鸭樱义贤迹保澹贝呋忌辗ㄆ宕衅骷觳庠硎疽馔迹郏保矗叔义衔瞬饬坎康缱璧谋浠榭觯呋忌辗ㄆ宕衅魍尤胪迹保澹插澹ǎ幔╁义系缏分
本文编号：2763132
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212
【图文】：
１．２．１催化燃烧法逡逑催化燃烧法气体传感器顾名思义是靠检测待测气体的燃烧现象来测量可燃气逡逑体在空气中的含量［１５］邋［１６］。其内部结构如图１．邋１所示，催化燃烧传感器内部逡逑由两段铂丝电阻组成，一段上面覆盖燃烧催化剂为检测片，另一端则没有覆盖燃逡逑烧催化剂为补偿片，当传感器与待测的可燃气体接触时，可燃气体在催化剂的作逡逑用下发生无焰燃烧，使得检测片的铂丝电阻阻值升高，而补偿片的铂丝电阻没有逡逑变化，通过测量检测片与补偿片之间的电阻差来分析待测气体浓度。逡逑洒净的空￥逦当存在可燃气体时逡逑扑焌？0逡逑Ｒ？二逦ｎｏ邋ｃａｔｊｉｙａｔ逦ＲＱ逦丨、电ＳＩ无逡逑＼逦４：邋，逦ｆ＂＂邋＼逡逑Ｐｔｕｎｗｉｓ逦＜，：逦ｗ逦＿逦Ｐｔ邋加热器逡逑—邋逦邋逦逡逑v洌祝模╁危遥模蹋义危ǖ缰胺鸭樱义贤迹保澹贝呋忌辗ㄆ宕衅骷觳庠硎疽馔迹郏保矗叔义衔瞬饬坎康缱璧谋浠榭觯呋忌辗ㄆ宕衅魍尤胪迹保澹插澹ǎ幔╁义系缏分
本文编号：2763132
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