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基于TDLAS的痕量气体浓度探测技术研究

作　者: 王子龙
导　师: 姚勇；陈云亮
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 物理电子学
关键词: 波长调制方法二次谐波信号调制系数
分类号: TN248
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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引　用: 1次
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内容摘要

随着我国工业的迅速发展,由于大量燃烧煤炭、石油所产生的化学物质以废气和烟尘等形式排放到大气中,给人们的生活、生产和身体健康带来有害影响,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。在大气污染检测领域,传统的方法是采用化学方法,这些方法的采样时间长,且测量结果容易受其它气体干扰,然而光谱学方法尤其是可调谐二极管激光吸收光谱术(TDLAS)具有速度快、高灵敏度、高选择性等优势。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检测具有重要的意义。本文研究了TDLAS的基本原理,基于TDLAS的波长调制方法设计了实验系统。根据波长调制实验系统各个器件的物理意义,建立相应的系统函数模型,其中包括纯频率调制模型和加进强度调制因素后的频率调制模型。以水气在常温常压下1392.5nm处的吸收峰为研究对象,并在这种情况下利用洛伦兹线型函数来模拟分子吸收线,利用软件仿真分析系统参数对谐波信号的影响,重点考虑了强度调制因素的作用。研究结果表明,二次谐波信号最适合作为气体痕量检测应用;增大调制系数使二次谐波信号曲线形状被展宽;存在一个使谐波信号峰值达到最大的调制系数;二次谐波信号峰值幅度与气体浓度呈正比例线性关系;激光器的强度调制因素使二次谐波信号的峰值发生了较小的偏移,但最明显的变化是信号曲线两侧的不对称性;探测相位则对二次谐波信号整体形状均有影响。其中激光器强度调制因素的影响是在实验中很难解释的,而在本文中将深入研究其原因。波长调制实验系统的性能受到探测器噪声、激光器额外噪声、激光器对光学反馈的敏感性、结电流扰动和光学干涉条纹等因素的限制,本文最后将分析这些限制因素。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-14
  1.1 课题背景及意义  8-10
  1.2 TDLAS测量技术的主要特点  10-11
  1.3 TDLAS技术在气体浓度检测方面的研究现状  11-12
  1.4 课题的主要内容  12-14
第2章可调谐二极管激光吸收光谱术  14-28
  2.1 比尔朗伯吸收定律  14
  2.2 气体分子吸收谱线线型  14-16
  2.3 直接吸收测量法  16-18
  2.4 波长调制光谱术  18-21
  2.5 频率调制光谱术  21-25
  2.6 双频调制光谱术  25-26
  2.7 波长稳定技术  26-27
  2.8 本章小结  27-28
第3章波长调制光谱术系统设计  28-36
  3.1 系统整体设计  28-29
  3.2 光源  29-31
  3.3 气体吸收池  31-32
  3.4 光电探测器  32-34
  3.5 锁相放大器  34-35
  3.6 本章小结  35-36
第4章系统理论仿真分析  36-47
  4.1 系统函数模型  36-38
  4.2 谐波信号阶次的选择  38-40
  4.3 气体浓度对二次谐波信号的影响  40-41
  4.4 调制系数对二次谐波信号的影响  41-42
  4.5 强度调制对二次谐波信号的影响  42-44
  4.6 探测相位对二次谐波信号的影响  44-46
  4.7 本章小结  46-47
第5章实验系统噪声分析  47-53
  5.1 分布反馈式激光器的光学反馈噪声  47-48
  5.2 激光器额外噪声  48-49
  5.3 光学干涉条纹  49-50
  5.4 探测器噪声  50-51
  5.5 残余幅度调制  51-52
  5.6 本章小结  52-53
结论  53-54
参考文献  54-60
致谢  60

基于TDLAS的痕量气体浓度探测技术研究

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