可调谐激光吸收光谱气体传感器性能提升研究

发布时间：2018-01-13 16:26

本文关键词：可调谐激光吸收光谱气体传感器性能提升研究　出处：《山东大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着我国科学技术发展和社会进步,目前需要对工业生产和社会生活中的诸多环节进行实时在线气体检测,以确保生产生活的顺利进行。对源头气体、中间气体和废气检测是气体检测的组成部分。在各种气体检测技术中,基于近红外吸收光谱检测技术正受到越来越广泛的应用。一方面,由于大多数生产生活的检测气体在近红外波段具有光谱吸收特性;另一方面,由于光纤通信、半导体激光技术的发展为近红外光谱吸收气体检测技术提供了极大的便利。光纤抗电子干扰能力强、传输损耗小、质量轻,使得基于光纤的近红外光谱吸收检测技术被广泛应用于各种复杂特殊的环境中。在各种近红外光谱吸收检测技术中,可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS)的应用最为广泛,常用的分支包括直接吸收技术、波长调制光谱技术以及光声光谱技术。而基于以上技术的各种传感器和智能仪器的研究正逐渐成为国家战略发展的重要方向。对于实际应用的可调谐激光吸收光谱气体传感器来说,传感器的性能和指标直接决定了它的检测环境和应用范围。为了能够在各种环境中实现高精度、高可靠性检测,传感器的稳定性、分辨率、检测极限等指标成为重中之重,而为了便于从光谱信息到气体信息的反演,波形的调整恢复技术也是重要一环。因此,针对这些指标的研究和提升工作是本论文的主要研究方向。本文主要以水蒸气检测为例介绍了对可调谐激光吸收光谱气体传感器器件选择与系统搭建、稳定性、分辨率和检测极限、波形调整恢复和检测系统实例等方面进行了分析论述。文章的主要工作包括:1.阐述了分子红外吸收的理论基础,给出气体光谱吸收检测技术的理论依据。对吸收线强、谱线线宽和线型函数等重要参数进行了介绍,分析了温度、压强对谱线宽度、线型函数及检测系统检测结果的影响。并对激光吸收光谱技术的常见分类—直接吸收光谱技术、波长调制光谱技术、光声光谱技术等进行了介绍和对比,对可调谐激光吸收光谱气体传感器的常用器件和系统结构进行了介绍和对比。2.介绍了用于提高激光吸收光谱气体传感器稳定性的方法。通过改进光学器件,减少外部环境和目标气体背景浓度对器件的影响,为系统搭建奠定基础;通过使用波长调制技术配合减法技术,抑制系统的低频扫描基线、器件内背景气体影响以及外部环境温湿度的影响;通过人造吸收峰技术,在每个扫描周期内同时检测实际吸收与人造吸收的比例关系,抑制非吸收损耗带来的影响;并通过相位漂移抑制技术解决激光器长期工作后相位漂移对波长调制检测系统的影响。3.介绍了用于提高可调谐激光吸收光谱气体传感器检测极限提升的方法。通过使用Herriott池加反射镜技术,将等效光程提高近一倍,从而提高系统检测极限和灵敏度近一倍;使用人造吸收峰技术,抑制不规则背景噪声并增强信号识别度,增强低浓度信号的信噪比;使用波长调制稳频技术提高系统的信噪比,减少检测消耗时间,提高系统检测极限的同时使快速检测成为可能。4.介绍了用于可调谐激光吸收光谱技术波形恢复调整的技术方法。通过三光路先减后除配合波长调制技术,使得系统对激光器强度调制效应抑制的同时提高系统信噪比;通过对各个扫描波长逐点进行调制度调整,使得波形可以根据需要进行调整,既可用于抑制强度调制带来的影响,又可用于改善波形特殊点的采用率,减小误差。5.以实际生产产品为例,介绍了可调谐激光吸收光谱技术在实际生产生活中的应用。在食品包装和变电站监测领域,水气传感器被用于进行安全检测和监护;在环境监测和食品安全检测领域,一氧化碳传感器被安装和使用。在本论文的完成过程中,主要的创新点包括:1.考虑了光学器件对检测系统的影响,并针对性的提出了改进方法。通过调整器件内各部分的间距,减少背景气体的光程;采用温控,保证器件内恒温不受外部环境影响;同时采用特殊封装并在高纯氮环境下进行封装,减少器件内背景气体的含量,从而抑制器件对检测系统的影响。2.首次提出使用人造吸收峰技术,通过调制人造吸收峰的波长,使得在每个检测周期内能够同时检测人造吸收峰和实际吸收峰,通过比值归一化抑制非吸收损耗带来的影响;通过调制波长使人造吸收峰与实际吸收峰重合时,增加实际吸收检测幅值超过不规则背景噪声,提高低浓度吸收信号的可识别度,提高系统的检测极限;同时,对于直接吸收检测系统,人造吸收峰可以帮助参考点选择,抑制噪声影响。3.研究了激光器因长期工作造成的驱动电流与激光器强度调制之间的相位差漂移现象,并针对此现象首次提出解决方案。锁相放大器的参考解调信号不再由产生调制信号的信号发生器产生而是由激光器出光后分光产生,可以抑制相位漂移带来的影响,提高系统长期稳定性。4.提出使用波长调制技术配合稳频技术压缩锁相放大器的带宽,提高系统的信噪比,同时大幅提高系统的数据处理速度,在提高系统稳定性的同时使得对于燃烧爆炸等快速检测成为可能。另外,为了抑制激光器因长期工作带来的波长漂移现象,提出了激光器稳频方案,并实现了理想的稳频效果。5.首次提出动态调制度波形调整技术。在应用波长调制光谱技术时,通过对各个扫描波长处的调制度进行动态调整,可以根据需要进行整个波形的调整,以纯波长调制的理想信号为目标可以抑制半导体激光器强度调制带来的影响。而通过改善谐波拐点处的波形时,可以改善这些地方采样率不足的问题,提高系统的检测精度。6.针对双路减法用于共模噪声抑制,除法用于激光器强度调制抑制,长光程气室用于系统分辨率和检测极限提升提出了改进方案,并对实际应用了相应技术的传感器产品进行了介绍。
[Abstract]:On the one hand , the research and promotion of tunable laser absorption spectroscopy ( TDLAS ) has been widely used in various kinds of complex special environments . A method for improving the detection limit of tunable laser absorption spectrum gas sensor is introduced in this paper . In order to suppress the wavelength shift caused by the long - term operation of the laser , the laser frequency stabilization scheme is proposed and the ideal frequency stabilization effect is achieved .

【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212

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