高精度空芯光波导多组分气体传感器研制
发布时间：2021-01-08 17:51
基于空芯光波导的小型气体传感器是近年来发展起来的新型传感器,在气体光谱检测领域受到了特别关注,很多方面的研究尚不充分,还存在很多问题。比如气体流动会带来管道压降,对谱线宽度造成影响,以及光学条纹及噪声对吸收光谱的干扰等问题。基于上述现状,对基于空芯光波导的气体传感器进行了深入的分析,研制了高精度空芯光波导多组分气体传感器,对于痕量气体高精度、多组分检测具有重要意义。主要工作包括:第一,提出空芯光波导气体传感器的性能增强方法。研究了空芯光波导中气体流动产生的压降对谱线线形的影响,提出增强空芯光波导气体传感器测量精度和灵敏度的方法。主要措施有:1)使用高精度的气体质量流量计控制气体流速;2)采用优化的负压工作方式提高波长调制谱2f（WMS-2f）信号灵敏度。仿真与实验结果表明高精度气体质量流量计的流量误差对谱线半高全宽和积分吸光度的影响控制在0.061%和0.062%之内。在优化的气流速度下,WMS-2f信号灵敏度最高提升18.3%,有效增强了基于空芯光波导的气体传感器性能,而无任何额外的软件或硬件支出。第二,发展了经验模态分解与多组分光谱拟合相结合的干扰去除方法。为了解决影响多组分气体测...
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Ag/AgI空芯光波导结构图
第3章空芯光波导中的气体吸收光谱23由图3-7可以得知，随着流速的增加，空芯光波导内水的直接吸收谱线线形呈现下降收窄的趋势。主要原因如下：1）由于仿真为抽气实验，随着流速的增加，空芯光波导内的整体压力呈现下降趋势，且流速越大，空芯光波导内的压力下降幅度越大，所以谱线半高全宽呈现逐渐变窄的趋势；2）由于空芯光波导内的气体压力和分子密度成正比关系，所以当空芯光波导内的压力下降时，其内的气体分子逐渐变稀薄，密度随之下降，因而浓度逐渐下降，吸光度也变校所以，当使用一个标准大气压下去计算和仿真空芯光波导内的气体吸收光谱时，会造成谱线精度和灵敏度损失，尤其是在管径较孝流速较大的情况下。我们以一个标准大气压计算得到的水的直接吸收谱线半高全宽和积分吸光度为基准，计算了空芯光波导内在不同流速下水的直接吸收谱线半高全宽和积分吸光度的相对变化量和变化趋势，如图3-8和表3-3所示。图3-8（a）水的直接吸收谱线在不同流量下的半高全宽；（b）水的直接吸收谱线在不同流量下的积分吸光度；表3-3水的直接吸收谱线在不同流量下的半高全宽和积分吸光度相对变化量流量（mL/min）半高全宽的相对变化量（%）积分吸光度相对变化量（%）0//50-1.51-1.56100-3.06-2.92150-4.61-4.29200-6.12-5.67250-7.65-7.05300-9.23-8.45由图3-8（a）和（b）可以看出，随着空芯光波导内流量的增加，水的半高
天津大学硕士学位论文263.4空芯光波导中的谱线频移空芯光波导内的气体流动不仅仅会对谱线的线形造成影响，由于气体的流动，还会产生多普勒效应，导致谱线产生频移，同时还会造成谱线形变。多普勒效应（Dopplereffect）是由奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒（ChristianJohannDoppler）在1842年首先提出的理论。主要内容是波源与观测者之间的相对运动会导致波源辐射出去的波长产生变化，当波源与观测者相向而行时，波长变短，频率升高称之为篮移（blueshift）；当波源与观测者相背而行时，波长边长，频率降低，称之为红移（redshift），波源的速度越高，所产生的多普勒效应越大。在空芯光波导进行气体传输时，气体的流动方向与光束成一定的夹角，由于多普勒效应的存在，谱线会产生频移。对于高精度的光谱计算，需要考虑其所造成的多普勒频移。多普勒频移计算公式如式（3-2）所示：0cosDopplerVvvc（3-2）其中，V是运动微粒的运动方向，c为光速，v0为气体吸收线中心频率，θ为气流流速与光束夹角。在实际情况下，由于流动运动切向粘滞力的存在，流体运动速度存在速度分层现象，如图3-10所示：图3-10空芯光波导内气体流速示意图在理想情况下，不考虑流体湍流、滑移、超低压等场合，空芯光波导内的流速分布遵循二次型函数，即空芯光波导截面上任一点流速为：224pVRrL（3-3）
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于中红外DFB-ICL激光器的硫系恶臭气体传感器[J]. 杜振辉,张哲远,甄卫萌,熊博,李金义. 大气与环境光学学报. 2015(02)
[2]光伏组件变形对组件性能的影响研究[J]. 黄浩,吴志学. 机械工程与自动化. 2011(04)
[3]空气中挥发性有机物的光谱学在线监测技术[J]. 杜振辉,翟雅琼,李金义,胡波. 光谱学与光谱分析. 2009(12)
[4]基于混合气体分子复合弛豫模型的一氧化碳浓度检测算法[J]. 朱明,王殊,王菽韬,夏东海. 物理学报. 2008(09)
[5]大气痕量气体测量的光谱学和化学技术[J]. 刘文清,崔志成,刘建国,谢品华,董凤忠,张玉钧,魏庆农. 量子电子学报. 2004(02)
[6]红外空芯传能光纤的研究进展[J]. 韩树民,周桂耀,侯蓝田,郑炀曾. 材料导报. 2002(06)
[7]光波导气体传感器[J]. 张贵德,李学金. 仪表技术与传感器. 1990(05)
硕士论文
[1]有机硫恶臭气体的优化分离技术研究[D]. 高超.电子科技大学 2015
[2]基于调谐激光光谱技术的痕量气体检测技术研究[D]. 齐汝宾.天津大学 2008
[3]调谐激光光谱的气体分析技术研究[D]. 尹新.天津大学 2007
本文编号：2965035
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Ag/AgI空芯光波导结构图
第3章空芯光波导中的气体吸收光谱23由图3-7可以得知，随着流速的增加，空芯光波导内水的直接吸收谱线线形呈现下降收窄的趋势。主要原因如下：1）由于仿真为抽气实验，随着流速的增加，空芯光波导内的整体压力呈现下降趋势，且流速越大，空芯光波导内的压力下降幅度越大，所以谱线半高全宽呈现逐渐变窄的趋势；2）由于空芯光波导内的气体压力和分子密度成正比关系，所以当空芯光波导内的压力下降时，其内的气体分子逐渐变稀薄，密度随之下降，因而浓度逐渐下降，吸光度也变校所以，当使用一个标准大气压下去计算和仿真空芯光波导内的气体吸收光谱时，会造成谱线精度和灵敏度损失，尤其是在管径较孝流速较大的情况下。我们以一个标准大气压计算得到的水的直接吸收谱线半高全宽和积分吸光度为基准，计算了空芯光波导内在不同流速下水的直接吸收谱线半高全宽和积分吸光度的相对变化量和变化趋势，如图3-8和表3-3所示。图3-8（a）水的直接吸收谱线在不同流量下的半高全宽；（b）水的直接吸收谱线在不同流量下的积分吸光度；表3-3水的直接吸收谱线在不同流量下的半高全宽和积分吸光度相对变化量流量（mL/min）半高全宽的相对变化量（%）积分吸光度相对变化量（%）0//50-1.51-1.56100-3.06-2.92150-4.61-4.29200-6.12-5.67250-7.65-7.05300-9.23-8.45由图3-8（a）和（b）可以看出，随着空芯光波导内流量的增加，水的半高
天津大学硕士学位论文263.4空芯光波导中的谱线频移空芯光波导内的气体流动不仅仅会对谱线的线形造成影响，由于气体的流动，还会产生多普勒效应，导致谱线产生频移，同时还会造成谱线形变。多普勒效应（Dopplereffect）是由奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒（ChristianJohannDoppler）在1842年首先提出的理论。主要内容是波源与观测者之间的相对运动会导致波源辐射出去的波长产生变化，当波源与观测者相向而行时，波长变短，频率升高称之为篮移（blueshift）；当波源与观测者相背而行时，波长边长，频率降低，称之为红移（redshift），波源的速度越高，所产生的多普勒效应越大。在空芯光波导进行气体传输时，气体的流动方向与光束成一定的夹角，由于多普勒效应的存在，谱线会产生频移。对于高精度的光谱计算，需要考虑其所造成的多普勒频移。多普勒频移计算公式如式（3-2）所示：0cosDopplerVvvc（3-2）其中，V是运动微粒的运动方向，c为光速，v0为气体吸收线中心频率，θ为气流流速与光束夹角。在实际情况下，由于流动运动切向粘滞力的存在，流体运动速度存在速度分层现象，如图3-10所示：图3-10空芯光波导内气体流速示意图在理想情况下，不考虑流体湍流、滑移、超低压等场合，空芯光波导内的流速分布遵循二次型函数，即空芯光波导截面上任一点流速为：224pVRrL（3-3）
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于中红外DFB-ICL激光器的硫系恶臭气体传感器[J]. 杜振辉,张哲远,甄卫萌,熊博,李金义. 大气与环境光学学报. 2015(02)
[2]光伏组件变形对组件性能的影响研究[J]. 黄浩,吴志学. 机械工程与自动化. 2011(04)
[3]空气中挥发性有机物的光谱学在线监测技术[J]. 杜振辉,翟雅琼,李金义,胡波. 光谱学与光谱分析. 2009(12)
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[6]红外空芯传能光纤的研究进展[J]. 韩树民,周桂耀,侯蓝田,郑炀曾. 材料导报. 2002(06)
[7]光波导气体传感器[J]. 张贵德,李学金. 仪表技术与传感器. 1990(05)
硕士论文
[1]有机硫恶臭气体的优化分离技术研究[D]. 高超.电子科技大学 2015
[2]基于调谐激光光谱技术的痕量气体检测技术研究[D]. 齐汝宾.天津大学 2008
[3]调谐激光光谱的气体分析技术研究[D]. 尹新.天津大学 2007
本文编号：2965035
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