基于可调谐激光二极管吸收光谱技术的CO2气体检测系统的研究

论文摘要

近年来,环境污染的治理逐渐成为世界关注的焦点问题之一,而环境污染物的监测是环境保护、控制治理污染的前提。二氧化碳是温室效应的主要起因之一,对它的监测非常重要。另外通过对二氧化碳气体浓度的检测技术的研究,可以为在线监测其它污染气体打下良好的坚实理论和实验基础。本文以Beer-Lambert定律为基本理论基础并结合气体分子光谱和谱线线型的相关理论,介绍了TDLAS技术用于气体浓度检测的基本原理。为获得高灵敏度气体浓度探测,推导了波长调制和二次谐波探测技术的原理,为实际应用TDLAS检测气体浓度提供了理论基础。本文分析了TDLAS气体浓度检测系统的噪声,并研究了压强和温度对气体吸收光谱谱线线宽的影响。在此基础上,为了使系统结构简单,实现实时自校准和提高测量精度,重点提出了一种基于TDLAS的痕量气体分析系统自校准方法并设计了相应的实验装置。在现有的实验条件下设计组建了检测二氧化碳浓度的实验系统,进行了可调谐激光二极管的特性测试实验。进行了TDLAS用于CO2浓度检测的实验,提取了CO2吸收光谱中的二次谐波信号,并利用高浓度的标准气体对信号进行了最小二乘法拟合,反演了二氧化碳的浓度,得到了满意的结果。本论文基本实现了二氧化碳浓度在线检测,对开发激光在线气体分析仪和对实现其它污染气体的在线检测具有指导作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.3 本论文的主要内容
• 2 TDLAS 气体浓度检测基本理论
• 2.1 气体分子光谱基础
• 2.1.1 光谱学以及气体分子光谱
• 2.1.2 光谱线的加宽及线型知识
• 2 气体在1580NM 处的吸收光谱'>2.2 CO₂ 气体在1580NM 处的吸收光谱
• 2.3 TDLAS 技术原理
• 2.4 TDLAS 用于气体浓度检测
• 2.5 本章小结
• 3 TDLAS 气体浓度检测原理系统设计
• 3.1 可调谐激光二极管及其特性
• 3.1.1 可调谐激光二极管的分类及实验光源的选择
• 3.1.2 可调谐激光二极管的特性
• 3.2 系统噪声及锁相放大技术
• 3.2.1 系统噪声分析及控制
• 3.2.2 锁相放大技术及锁相放大器
• 3.3 温度和压强对气体光谱吸收的影响
• 3.4 TDLAS 痕量气体分析系统自校准方法
• 3.5 检测系统的实验实现
• 3.6 本章小结
• 4 二氧化碳浓度检测实验系统
• 4.1 实验系统的总体框架
• 4.2 可调谐激光二极管控制单元
• 4.3 信号调制单元
• 4.4 光路单元
• 4.5 信号检测和数据处理单元
• 4.6 本章小结
• 5 实验结果及讨论
• 5.1 可调谐激光二极管的特性测试
• 5.1.1 可调谐激光二极管的输出波长随温度的变化
• 5.1.2 可调谐激光二极管的输出波长随注入电流的变化
• 5.1.3 可调谐激光二极管的输出功率随注入电流的变化
• 2 浓度检测实验'>5.2 TDLAS 用于CO₂浓度检测实验
• 5.2.1 系统工作条件的确定
• 5.2.2 二氧化碳吸收的二次谐波信号检测和浓度的高精度定量反演
• 5.3 实验结果讨论
• 5.4 本章小结
• 6 全文总结以及研究展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录