光譜吸收式光纖氣體檢測理論及技術(shù)研究.pdf

1、光譜吸收式光纖氣體傳感器通過檢測氣室透射光強或反射光強的變化來檢測氣體的濃度，無需對待測氣體進行人工采樣和預(yù)處理，具有靈敏度高、選擇性好、響應(yīng)時間快等優(yōu)點，近年來在氣體濃度檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
　　 首先，以分子光譜理論為基礎(chǔ)，分析氣體吸收線的譜線線型、譜線線寬與譜線展寬等相關(guān)理論。以比爾.朗伯定律為理論基礎(chǔ)，研究利用光譜吸收法測量氣體的濃度，根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫，選擇近紅外區(qū)甲烷2v3帶R3支的三條氣體吸收線進行研究，并

2、確定吸收譜線的相關(guān)參數(shù)。研究波長調(diào)制光譜與諧波檢測理論，利用傅里葉級數(shù)展開模型和泰勒級數(shù)展開模型分析各次諧波信號，在頻率調(diào)制信號模型的基礎(chǔ)上，采用頻率.強度調(diào)制信號模型研究強度調(diào)制對各次諧波信號的影響。研究高斯線型和洛倫茲線型的各次諧波信號與波長調(diào)制系數(shù)的關(guān)系，確定各次諧波最佳的波長調(diào)制系數(shù)。對激光在光路中多次反射形成的標準具效應(yīng)展開研究，為標準具噪聲的抑制提供理論依據(jù)。
　　 其次，以鎖相放大器的基本原理為基礎(chǔ)，研究正交數(shù)字鎖

3、相放大器算法，利用正交數(shù)字鎖相放大器提取一次諧波和二次諧波的幅值信號，抑制移相調(diào)節(jié)誤差和模擬器件漂移對諧波幅值測量準確性的影響，提高系統(tǒng)的檢測精度。分析二次諧波檢測方案的特點與不足，提出利用一次諧波幅值信號進行氣體濃度測量，一次諧波檢測方案具有簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠抑制激光器非線性強度調(diào)制和光源波長漂移等因素對系統(tǒng)檢測精度的影響，降低系統(tǒng)對激光器穩(wěn)定性的要求，使系統(tǒng)長期穩(wěn)定、可靠地工作。
　　 再次，研究溫度變化對氣體吸收線的線強

4、度、譜線寬度、吸收系數(shù)以及氣體濃度測量產(chǎn)生的影響。討論溫度自校正方案和溫度校準函數(shù)方案的優(yōu)缺點，利用溫度校準方案減小氣體溫度變化帶來的測量誤差。在分析可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)測量氣體溫度原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫，選擇6241.402828 cm-1和6242.672190 cm-1波數(shù)處的兩條CO2吸收線作為研究對象，提出基于一次諧波檢測的TDLAS氣體溫度測量方案，并對TDLAS氣體溫度測量的準確性進行分

5、析，研究利用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)測量氣體溫度的可行性。
　　 最后，基于一次諧波檢測方案構(gòu)建了甲烷氣體濃度檢測系統(tǒng)，并對系統(tǒng)中的激光器、光電檢測器以及吸收氣室等關(guān)鍵器件進行分析。研究激光在透射型氣室與反射型氣室中的光譜吸收，設(shè)計了5×10cm光程的透射型吸收氣室，確定系統(tǒng)最佳的波長調(diào)制系數(shù)，降低調(diào)制系數(shù)波動對檢測系統(tǒng)的影響。在實驗室中利用一次諧波檢測系統(tǒng)測量甲烷氣體的濃度，實驗結(jié)果表明系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)和甲烷氣體的濃度呈現(xiàn)很