基于调谐激光光谱技术的痕量气体检测技术研究

论文摘要

当前环境污染已越来越严重地影响到了生态的平衡以及人类的健康和安全,开展对环境空气中的痕量污染气体的监测研究具有迫切意义。在环境监测领域,传统的方法是用点采样的湿式化学法,这些方法采样时间长,过程复杂、系统不易更新,而光谱学方法特别是可调谐二极管激光吸收光谱学方法（TDLAS）具有快速、高灵敏度、高选择性、可实现在线连续监测等优势。研究基于近红外可调谐二极管激光器的激光吸收光谱技术用于对痕量污染气体的自动连续监测具有重要意义。本文研究了可调谐二极管激光吸收光谱技术的原理及将其应用于对痕量气体检测的实验技术。利用傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）研究了准连续二极管激光器的温度和电流调谐特性。针对激光器的输出激光发散角大的特点,设计了准直器并得到了1mrad的准直效果。基于函数发生器设计编制了准连续二极管激光器的调制信号和锁相参考信号,实现了激光器在准连续工作模式下波长大范围自动连续调谐。结合多光程吸收池和锁相放大技术,构建了TDLAS实验系统。在二极管激光器的温度15℃和17.5℃下,以不同浓度的甲烷为目标气体,分析了光谱数据的预处理方法,研究了直接吸收信号和二次谐波信号的特性及其与气体浓度的关系,吸收谱的二次谐波信号与其对应的气体浓度值之间呈较好的线性关系。通过对低浓度甲烷气体的测量,分析了实验系统的检测灵敏度,该系统对甲烷的测量极限为ppm量级。论文还分析了系统噪声来源。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.2 TDLAS 技术特点及研究现状
• 1.2.1 可调谐二极管激光器概况
• 1.2.2 TDLAS 研究现状
• 1.2.3 TDLAS 技术特点
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 可调谐二极管激光吸收光谱技术原理
• 2.1 吸收光谱学基本原理
• 2.1.1 吸收光谱来源
• 2.1.2 分子的基频、倍频与合频的吸收谱分析
• 2.1.3 朗伯‐比尔定律
• 2.2 可调谐二极管激光吸收光谱学技术（TDLAS）基本原理
• 2.3 直接吸收光谱测量
• 2.4 波长调制光谱技术（WMS）
• 2.4.1 波长调制谱方法
• 2.4.2 波长调制谱的实现
• 2.5 频率调制光谱技术（FMS）
• 2.6 本章小结
• 第三章 TDLAS 实验系统构建
• 3.1 系统整体设计
• 3.2 光源及其驱动部分
• 3.2.1 二极管激光器的选用
• 3.2.2 二极管激光驱动器
• 3.2.3 调制信号的生成
• 3.3 光路与气路部分
• 3.3.1 二极管激光准直器设计
• 3.3.2 多光程吸收池
• 3.3.3 气路部分
• 3.4 检测接收部分
• 3.4.1 光电检测器及前置放大器
• 3.4.2 锁相放大器
• 3.4.3 数据采集与控制系统
• 3.5 本章小结
• 第四章 实验及结果分析
• 4.1 二极管激光器的调谐特性实验研究
• 4.1.1 实验准备
• 4.1.2 调谐结果及特性分析
• 4.2 痕量气体谐波探测实验
• 4.3 LD 温度为15℃时测量结果及数据预处理分析
• 4.3.1 扫描结果及初步分析
• 4.3.2 数据预处理
• 4.3.3 不同浓度结果分析
• 4.4 LD 温度为17.5℃时测量结果及分析
• 4.5 系统检测灵敏度分析
• 4.5.1 噪声分析
• 4.5.2 系统检测灵敏度
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢