基于近红外光谱吸收原理的气体传感研究

论文摘要

近红外光谱吸收式的气体传感器在大气痕量、有毒有害气体的监测中具有广泛的应用。本文基于近红外光谱吸收原理设计了三种不同的气体传感系统。分别从理论、系统和实验三个方面对气体传感技术进行了研究。理论上分析了近红外气体分子吸收光谱的原理,推导并且拟合了气体分子吸收线型。通过实验验证了直接吸收检测和谐波检测的可行性,完成了气体浓度的测量,实现了系统设计要求。本文完成的主要工作1.设计了基于超连续谱光源的气体传感系统,从理论上介绍了超连续谱产生的原理,分析了系统中光源噪声及波动对气体传感的影响,采用了FFT平滑滤波的方法对吸收光谱进行处理,所得结果符合乙炔气体吸收特性,最后应用该系统实现浓度为4000ppm的乙炔气体传感。2.设计了基于宽光谱ASE光源和F-P可调谐光滤波器的气体传感系统,实现了对气体吸收光谱的扫描检测。标定了F-P可调谐滤波器的驱动电压与透射波长之间的关系;检测了二氧化碳气体在不同采样精度下吸收光谱的变化,分析了采样精度对气体传感的影响;通过对不同浓度二氧化碳气体的检测,标定了气体吸收强度与气体浓度之间的关系。实验结果表明利用该系统可以检测5%-10%浓度的二氧化碳气体,在浓度较高时的误差控制在5%以下。3.设计了基于可调谐激光器的气体传感系统,利用锁相放大器检测二次谐波信息,实现气体浓度传感。从理论上推导了波长调制和二次谐波解调的原理,得到了二次谐波与气体浓度之间的关系;在传感系统中使用怀特池,有效的增加了气体吸收光程,提高了系统检测灵敏度;通过对不同浓度二氧化碳气体的检测,标定了二次谐波幅值与气体浓度之间的关系,同时利用该关系反演了部分气体的浓度。实验结果表明利用该系统至少可以检测1%-5%浓度的二氧化碳气体,其检测灵敏度为100ppm。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 气体检测的基本方法
• 1.3 光学式气体检测的基本方法
• 1.3.1 傅立叶变换光谱法（FTIR）
• 1.3.2 差分吸收光谱法（DOAS）
• 1.3.3 可调谐半导体激光吸收光谱法（TDLAS）
• 1.3.4 声光可调谐滤波器法（AOTF）
• 1.3.5 激光光声光谱法（PAS）
• 1.3.6 有源内腔法
• 1.4 光谱吸收型气体传感器国内外发展现状
• 1.5 本文主要工作
• 第二章 光谱吸收气体检测原理
• 2.1 光谱学与分子光谱
• 2.2 近红外吸收光谱原理
• 2.3 气体吸收光谱
• 2 气体吸收光谱'>2.3.1 CO₂气体吸收光谱
• 2H₂ 气体吸收光谱'>2.3.2 C₂H₂气体吸收光谱
• 2.4 吸收谱线线型理论
• 2.4.1 谱线的自然展宽
• 2.4.2 谱线的碰撞展宽
• 2.4.3 其他展宽
• 2.4.4 Lorentzian线型的拟合
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于超连续谱光源的气体传感系统
• 3.1 超连续谱光源
• 3.2 基于超连续谱的实验系统
• 3.3 超连续谱光源检测乙炔气体
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于ASE宽光谱光源的气体传感系统
• 4.1 宽光谱ASE光源的气体检测系统
• 4.2 ASE光源检测二氧化碳气体
• 4.2.1 直接吸收检测
• 4.2.2 基于F-P可调谐滤波器的气体检测
• 4.3 吸收线位置模拟
• 2 浓度梯度实验'>4.4 CO₂浓度梯度实验
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于可调谐激光器的气体传感系统
• 5.1 基于TDLAS的气体传感系统
• 5.1.1 实验系统
• 5.1.2 怀特池
• 5.1.3 锁相放大器
• 5.2 波长调制及谐波检测
• 2 气体传感实验研究'>5.3 CO₂气体传感实验研究
• 2 气体浓度的标定及反演'>5.4 CO₂气体浓度的标定及反演
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢