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基于调谐激光吸收光谱技术的气体检测系统研究及优化

作　者: 杨杰文
导　师: 汪曣
学　校: 天津大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 调谐二极管激光吸收光谱技术 谐波检测 调制度 参数优化 浓度反演
分类号: TH744.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 197次
引　用: 6次
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内容摘要


调谐二极管激光吸收光谱技术（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS）是近年来发展起来的一种新型的光谱检测技术，由于其具有高灵敏度、高精度和快速响应等特点，被广泛应用于环境气体监测。TDLAS系统中的关键参数（如调制度、扫描频率等）的选择对系统的测量灵敏度、精度等影响很大，而且在不同的应用领域中，这些参数的选择需结合具体的需求进行考虑，因此研究TDLAS系统的参数优化对TDLAS技术的应用具有重要的意义。本文在吸收光谱学理论和谐波检测理论的基础上，讨论了谐波信号和气体浓度的关系，并对谐波信号的最优调制进行了分析。搭建了基于调谐激光吸收光谱技术的环境气体检测系统，设计了系统的数据采集和控制部分中检测信号的预处理流程。在搭建的实验平台上，对波长调制吸收光谱系统的优化进行了研究。通过实验得到了各阶谐波信号并对奇次谐波和偶次谐波的变化规律进行分析；讨论了锁相放大器的积分时间和相位对输出谐波信号的影响，给出了本系统合适的积分时间选择和输出方式；在一定的理论基础上通过实验分析了调制度、调制频率、扫描信号幅度、扫描信号频率对谐波信号幅值、信噪比、峰型对称性及峰宽的具体影响，总结出各参数影响检测信号的一般规律，并指出在明确系统功能及需求后进行参数选取的原则，对TDLAS系统的实际应用具有较强的指导意义。分析了影响系统检测灵敏度的噪声因素及其来源，通过实验验证扣除背景可大大抑制剩余幅度调制和光学干涉条纹等干扰。给出了三种浓度反演的方法：通过比例关系直接反演法、最小二乘拟合反演法和线性关系反演法，深入研究了三种方法的原理并通过实验结果对三种方法进行了比较，从而选择本系统浓度反演的方法，并得出了系统的检测极限。

全文目录


中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-13
  1.1 本文的研究背景及意义  8-9
  1.2 TDLAS 的技术特点及应用  9
  1.3 TDLAS 的研究现状及发展趋势  9-11
  1.4 本文的研究内容  11-13
第二章 调谐激光吸收光谱技术的理论基础  13-22
  2.1 吸收光谱学理论  13-16
    2.1.1 吸收光谱的来源  13-14
    2.1.2 谱线强度  14
    2.1.3 吸收线型  14-16
  2.2 波长调制技术的基本原理  16-18
  2.3 谐波检测原理  18-19
  2.4 谐波分析  19-21
  2.5 本章小结  21-22
第三章 TDLAS实验系统  22-34
  3.1 TDLAS 实验系统概述  22-23
  3.2 各部分主要器件  23-28
    3.2.1 光源  23-25
    3.2.2 激光驱动器  25-26
    3.2.3 可调节长光程气体池  26-27
    3.2.4 光电检测器  27
    3.2.5 调制信号的产生  27-28
    3.2.6 锁相放大器  28
  3.3 数据预处理过程  28-30
    3.3.1 剔除粗大误差  29
    3.3.2 数据平均  29
    3.3.3 基线校正  29-30
  3.4 数据采集与控制系统  30-33
  3.5 本章小结  33-34
第四章 波长调制吸收光谱系统优化的实验研究  34-47
  4.1 谐波次数的选择  34-35
  4.2 相敏检测的参数优化  35-38
    4.2.1 锁相放大器的带宽  35-36
    4.2.2 锁相放大器的相位对谐波信号的影响  36-38
  4.3 激光器调制参数的优化  38-46
    4.3.1 调制度对谐波信号的影响  38-42
    4.3.2 调制频率对谐波信号的影响  42-43
    4.3.3 扫描信号幅度对谐波信号的影响  43-44
    4.3.4 扫描信号频率对谐波信号的影响  44-45
    4.3.5 激光器调制参数优化小结  45-46
  4.4 本章小结  46-47
第五章 气体浓度反演的方法研究  47-56
  5.1 系统噪声来源  47-48
    5.1.1 探测器噪声  47
    5.1.2 激光额外噪声  47-48
    5.1.3 剩余幅度调制  48
    5.1.4 光学干涉条纹  48
  5.2 背景噪声对系统的影响  48-51
  5.3 气体浓度反演的方法研究  51-54
    5.3.1 直接比例反演法用于浓度反演  51-52
    5.3.2 最小二乘法用于浓度反演  52-53
    5.3.3 线性拟合法用于浓度反演  53-54
  5.4 系统检测极限  54-55
  5.5 本章小结  55-56
第六章 总结与展望  56-58
  6.1 全文总结  56-57
  6.2 工作展望  57-58
参考文献  58-61
发表论文和参加科研情况说明  61-62
致谢  62

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 光学仪器 > 物理光学仪器 > 光谱仪器
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