红外滤光膜的研究及其在气体传感器中的应用
发布时间：2020-12-22 00:14
甲烷和乙烷属于易燃易爆气体,并且与人们的日常生活和生产安全息息相关,因此实现对甲烷与乙烷气体的实时定量监测有着重要意义。相比于其他气体探测器,非分光红外光学吸收型气体传感器具有体积小、选择性好、响应时间短等优点,因此得到了广泛的关注。为满足非分光红外光学吸收型气体传感器的探测要求,本文分析了光学滤波器对气体探测系统的影响,研制了一种中心探测波长透过,其余波段截止的光学滤波器。通过对甲烷与乙烷气体分子的红外吸收光谱进行研究,确定了目标探测气体的特征吸收波长,选择红外光源和红外探测器,最终搭建了3.3μm中波气体探测系统。根据甲烷与乙烷气体的红外吸收系数、光源强度、探测器响应度以及其他干扰气体的吸收光谱,对红外滤光膜带宽与气体探测系统灵敏度和透射光强的函数关系进行研究,并建立新型评价函数,通过使用Mathcad软件模拟分析确定红外滤光膜的技术指标。根据材料光学特性,选择光电二极管和砷化镓作为基底材料,Ge和Nb2O5分别作为高低折射率薄膜材料,依据光学薄膜理论,使用TFCalc软件设计出3.3μm、6.7μm和7.6μm带通滤光膜,并使用直流脉冲...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
NDIR气体传感器实物图
图 1.1 NDIR 气体传感器实物图DIR 气体传感器主要由红外光源、光学滤波器(气室)和红外探测器构成[12如图 1.2 所示。它的工作原理是红外光源发出具有连续光谱的红外光信通过含有目标气体的气室时，会对特定波长的红外光产生强烈的吸收导红外光强度降低，再经由滤光膜到达探测器，通过测量特定波长处探测强度信号，根据比尔朗伯定律就可以得到目标气体的浓度。其中光学滤测系统中的核心部件之一，通过在基底上沉积不同厚度的高低折射率薄器件的光学性能，能够降低甚至消除其他干扰气体如水蒸气、二氧化碳影响，降低探测系统的虚警率，对系统的探测精度起着至关重要的作用
同时还对带通滤光膜带宽对气体探测系统的影响确定带通滤光膜的技术参数。外吸收光谱分析对红外光谱具有选择吸收的特性，这主要是由于气体分子气体分子的运动包括电子的运动、分子内原子的振动和分子致了不同的能级结构，分为电子能级、振动能级和转动能射分子时，如果光子的能量正好等于两个能级能量之差且那么分子就会实现从低能级到高能级的跃迁。不同能级的其中分子的电子能级跃迁需要吸收的能量最大，通常出现能级跃迁所需的能量比转动能级跃迁的大，这两种能级跃用红外光照射分子时，振动能级跃迁和转动能级跃迁常常带状光谱，这就是红外吸收光谱。但有一些如 N2、O2等具矩，在振动过程中不会出现偶极矩的变化，也不会产生相能通过红外光谱吸收法来标定它们的身份和浓度信息。
【参考文献】：
期刊论文
[1]红外热成像甲烷探测系统的双通带滤波器[J]. 付秀华,刘文奇,尹士平,刘克武,刘冬梅. 光学学报. 2018(12)
[2]高精度中红外大气C2H6传感系统的研制[J]. 叶玮琳,孟永贤,周波,余红志,何迅,吴福培,郑志丹,郑传涛. 光学学报. 2018(03)
[3]基于甲烷气体红外吸收特性窄带滤波器的研究[J]. 熊仕富,付秀华,刘冬梅,张静. 光子学报. 2017(10)
[4]甲烷气体探测与识别系统窄带滤光膜的研制[J]. 熊仕富,付秀华,刘冬梅,张静,范家晨. 中国激光. 2017(03)
[5]氧气流量和溅射功率对脉冲直流磁控溅射制备Nb2O5薄膜性能的影响[J]. 彭寿,李刚,蒋继文,钟汝梅. 玻璃. 2016(02)
[6]人体呼出气分析的技术进展及其在非侵入式医学诊断方面的临床应用前景[J]. 李雯雯,段忆翔. 化学进展. 2015(04)
[7]2008—2013年我国煤矿瓦斯事故规律分析[J]. 景国勋. 安全与环境学报. 2014(05)
[8]中心波长14.95μm超窄带滤光片的研制[J]. 张麟,倪榕,黄春,李斌,刘定权. 光学学报. 2014(07)
[9]Ge薄膜性能及其在光子计数成像探测器中的应用[J]. 李云鹏,郑鑫,张宏吉,王孝东,陈波,曹健林. 光学精密工程. 2014(05)
[10]红外甲烷传感器与催化甲烷传感器性能比较研究[J]. 卓邦远,吕贤帝,刘海波. 科技创新导报. 2010(17)
硕士论文
[1]一种新型红外甲烷气体传感器的研究[D]. 胡平.华东理工大学 2015
本文编号：2930777
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
NDIR气体传感器实物图
图 1.1 NDIR 气体传感器实物图DIR 气体传感器主要由红外光源、光学滤波器(气室)和红外探测器构成[12如图 1.2 所示。它的工作原理是红外光源发出具有连续光谱的红外光信通过含有目标气体的气室时，会对特定波长的红外光产生强烈的吸收导红外光强度降低，再经由滤光膜到达探测器，通过测量特定波长处探测强度信号，根据比尔朗伯定律就可以得到目标气体的浓度。其中光学滤测系统中的核心部件之一，通过在基底上沉积不同厚度的高低折射率薄器件的光学性能，能够降低甚至消除其他干扰气体如水蒸气、二氧化碳影响，降低探测系统的虚警率，对系统的探测精度起着至关重要的作用
同时还对带通滤光膜带宽对气体探测系统的影响确定带通滤光膜的技术参数。外吸收光谱分析对红外光谱具有选择吸收的特性，这主要是由于气体分子气体分子的运动包括电子的运动、分子内原子的振动和分子致了不同的能级结构，分为电子能级、振动能级和转动能射分子时，如果光子的能量正好等于两个能级能量之差且那么分子就会实现从低能级到高能级的跃迁。不同能级的其中分子的电子能级跃迁需要吸收的能量最大，通常出现能级跃迁所需的能量比转动能级跃迁的大，这两种能级跃用红外光照射分子时，振动能级跃迁和转动能级跃迁常常带状光谱，这就是红外吸收光谱。但有一些如 N2、O2等具矩，在振动过程中不会出现偶极矩的变化，也不会产生相能通过红外光谱吸收法来标定它们的身份和浓度信息。
【参考文献】：
期刊论文
[1]红外热成像甲烷探测系统的双通带滤波器[J]. 付秀华,刘文奇,尹士平,刘克武,刘冬梅. 光学学报. 2018(12)
[2]高精度中红外大气C2H6传感系统的研制[J]. 叶玮琳,孟永贤,周波,余红志,何迅,吴福培,郑志丹,郑传涛. 光学学报. 2018(03)
[3]基于甲烷气体红外吸收特性窄带滤波器的研究[J]. 熊仕富,付秀华,刘冬梅,张静. 光子学报. 2017(10)
[4]甲烷气体探测与识别系统窄带滤光膜的研制[J]. 熊仕富,付秀华,刘冬梅,张静,范家晨. 中国激光. 2017(03)
[5]氧气流量和溅射功率对脉冲直流磁控溅射制备Nb2O5薄膜性能的影响[J]. 彭寿,李刚,蒋继文,钟汝梅. 玻璃. 2016(02)
[6]人体呼出气分析的技术进展及其在非侵入式医学诊断方面的临床应用前景[J]. 李雯雯,段忆翔. 化学进展. 2015(04)
[7]2008—2013年我国煤矿瓦斯事故规律分析[J]. 景国勋. 安全与环境学报. 2014(05)
[8]中心波长14.95μm超窄带滤光片的研制[J]. 张麟,倪榕,黄春,李斌,刘定权. 光学学报. 2014(07)
[9]Ge薄膜性能及其在光子计数成像探测器中的应用[J]. 李云鹏,郑鑫,张宏吉,王孝东,陈波,曹健林. 光学精密工程. 2014(05)
[10]红外甲烷传感器与催化甲烷传感器性能比较研究[J]. 卓邦远,吕贤帝,刘海波. 科技创新导报. 2010(17)
硕士论文
[1]一种新型红外甲烷气体传感器的研究[D]. 胡平.华东理工大学 2015
本文编号：2930777
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