气体红外吸收光谱检测信号的分析研究

发布时间：2018-03-02 21:52

本文选题：TDLAS　切入点：QEPAS　出处：《山东大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：为实现工业信息化与自动化的深入融合,需要对工业生产中的多个环节实施在线监测,以确保生产质量和生产安全。对源头性气体、中间气体以及废气的检测是生产监测的重要组成部分。在众多气体检测技术中,基于红外吸收光谱技术的气体检测系统、仪器受到广泛关注。一方面,多数工业气体具有红外发射、吸收光谱特性；另一方面,半导体激光技术、光纤传感技术、计算机应用技术等实用性技术的逐步成熟为智能仪器的发展提供了便利。光纤质轻、抗电磁干扰能力强,因此基于光纤技术的红外吸收光谱气体检测技术可被广泛应用于电子环境复杂、易燃易爆的特殊环境中。在红外吸收光谱检测技术的分支中,可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术因其多年的研究积淀应用最为广泛,光声光谱(PAS)技术则由于无背景检测的特点在痕量气体检测应用中占据优势。基于以上技术,致力于小型化甚至微型化仪器和专用型检测设备或模块的研究是我国红外光谱检测分析领域的一个重要发展方向。对于应用在生产环节的设备而言,高分辨率固然重要,但检测准确性和性能稳定是系统在应用中更为重要的两个方面。我们需要从信号的产生、噪声起因、波形变化等方面去广泛而深入的分析能够影响到实际检测信号的各种因素,找到问题才能有针对性的解决问题,优化系统性能。因此,对系统信号的分析研究是系统开发的关键工作。本文主要以水蒸气红外吸收光谱检测系统为例,针对非电子噪声来源、信号畸变(剩余幅度调制影响、激光器非线性效应影响)、信号提升以及稀释气体影响等方面进行分析研究。文章的主要工作和创新点如下：1.阐述分子红外吸收的产生机理,给出气体红外吸收检测技术的可行性理论依据。介绍吸收谱线强度和谱线线型函数等关键参数,并分析了压强和温度对谱线强度、谱线半高全宽、线型函数以及单位浓度吸收率的影响。阐述光声信号的产生机理,给出石英增强型光声光谱检测技术中光声信号的理论推导。对洛伦兹吸收线型进行傅里叶级数展开,给出谐波检测技术的理论依据,并分析剩余幅度调制的来源和相关参量。2.介绍可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术和石英增强型光声光谱(QEPAS)技术的典型系统结构,以及TDLAS系统三种信号解调方式：直接差分、谐波检测和差分后再谐波检测。阐述波长调制和锁相检测技术原理。3.分析了TDLAS系统的非电子噪声来源。具体包括：光纤宏弯(抖动)、环境温度变化引起光器件工作状态改变带来的功率波动噪声；本底吸收影响,即大气高组分气体残留在器件内部引起的非气室内待测气体的吸收；光路中多个光学平面之间的标准具干涉噪声干扰。4.详细研究了波长调制下激光器输出光频(波长)和功率之间的相位差对二次谐波信号的影响,并利用气体吸收峰对该相位差进行了测量。上述相位差根据驱动电流的作用分为调制相位差和扫描相位差。研究了调制相位差分别对单相锁相检测系统和双相锁相检测系统所得到的二次谐波信号的影响,并且针对单相锁相的影响提出相位补偿的办法。还研究了扫描相位差对谐波信号的影响。提出了一种基于时间差测量相位差的方法,利用气体吸收峰对50Hz-50kHz驱动频率下正弦和三角波驱动激光器产生的相位差进行测量,并进行相关分析。5.深入研究了激光器功率非线性对低浓度检测时谐波信号的影响。理论分析并实验验证了激光器非线性效应对一次和二次谐波的影响与驱动激光器的扫描电流有关。分析了激光器非线性效应对低浓度下一次谐波检测和二次谐波检测信号的影响,以二次谐波检测为例,该非线性效应带来的信号畸变量约与5ppm(利用5m气室进行检测)水蒸气产生的吸收信号的幅值相当,因而在痕量检测应用中非线性的影响不能忽视。针对激光器非线性输出对痕量气体检测造成的影响,提出利用双光路结构进行抑制。6.针对QEPAS系统光声信号的提升展开研究。研究包括：声波共振管的最佳放置位置和各点的共振放大倍数；同等物理结构下对比石英材料和不锈钢材料共振结构的共振效果；利用直角棱镜反射光束与入射光束光轴错离的特点,提出了一种基于直角棱镜搭建的双程QEPAS气体检测系统,利用棱镜将单路透射光束反射,使反射光束二次激发光声信号,并进行声波共振放大,在提升光声信号的同时改变了音叉在系统中的响应特性,使系统信号放大倍数由16增加至22.4倍,且噪声幅度由单程结构的14.3μV降至11.6μV,改善系统信噪比。7.研究了改变稀释气体(背景气体)对检测系统信号的影响。实验发现同一浓度(体积比)甲烷气体在分别以氮气、氧气和乙烷作为稀释气体的检测系统中产生的吸收信号各不相同,根据吸收信号产生的机理分析认为改变稀释气体导致待测气体谱线线宽发生变化,进而影响检测到的吸收峰峰值和二次谐波信号幅值。利用统计力学的碰撞理论对谱线线宽因稀释气体的改变而发生变化的现象进行分析解释。
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【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O657.33;TN911.6

【参考文献】