氣體紅外吸收光譜檢測信號(hào)的分析研究.pdf

1、為實(shí)現(xiàn)工業(yè)信息化與自動(dòng)化的深入融合，需要對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中的多個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施在線監(jiān)測，以確保生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)安全。對(duì)源頭性氣體、中間氣體以及廢氣的檢測是生產(chǎn)監(jiān)測的重要組成部分。在眾多氣體檢測技術(shù)中，基于紅外吸收光譜技術(shù)的氣體檢測系統(tǒng)、儀器受到廣泛關(guān)注。一方面，多數(shù)工業(yè)氣體具有紅外發(fā)射、吸收光譜特性;另一方面，半導(dǎo)體激光技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等實(shí)用性技術(shù)的逐步成熟為智能儀器的發(fā)展提供了便利。光纖質(zhì)輕、抗電磁干擾能力強(qiáng)，因此基于光纖技術(shù)的紅

2、外吸收光譜氣體檢測技術(shù)可被廣泛應(yīng)用于電子環(huán)境復(fù)雜、易燃易爆的特殊環(huán)境中。在紅外吸收光譜檢測技術(shù)的分支中，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)因其多年的研究積淀應(yīng)用最為廣泛，光聲光譜(PAS)技術(shù)則由于無背景檢測的特點(diǎn)在痕量氣體檢測應(yīng)用中占據(jù)優(yōu)勢。基于以上技術(shù)，致力于小型化甚至微型化儀器和專用型檢測設(shè)備或模塊的研究是我國紅外光譜檢測分析領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。
　　對(duì)于應(yīng)用在生產(chǎn)環(huán)節(jié)的設(shè)備而言，高分辨率固然重要，但檢測準(zhǔn)確性和

3、性能穩(wěn)定是系統(tǒng)在應(yīng)用中更為重要的兩個(gè)方面。我們需要從信號(hào)的產(chǎn)生、噪聲起因、波形變化等方面去廣泛而深入的分析能夠影響到實(shí)際檢測信號(hào)的各種因素，找到問題才能有針對(duì)性的解決問題，優(yōu)化系統(tǒng)性能。因此，對(duì)系統(tǒng)信號(hào)的分析研究是系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵工作。
　　本文主要以水蒸氣紅外吸收光譜檢測系統(tǒng)為例，針對(duì)非電子噪聲來源、信號(hào)畸變（剩余幅度調(diào)制影響、激光器非線性效應(yīng)影響）、信號(hào)提升以及稀釋氣體影響等方面進(jìn)行分析研究。文章的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:

4、　　1.闡述分子紅外吸收的產(chǎn)生機(jī)理，給出氣體紅外吸收檢測技術(shù)的可行性理論依據(jù)。介紹吸收譜線強(qiáng)度和譜線線型函數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，并分析了壓強(qiáng)和溫度對(duì)譜線強(qiáng)度、譜線半高全寬、線型函數(shù)以及單位濃度吸收率的影響。闡述光聲信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理，給出石英增強(qiáng)型光聲光譜檢測技術(shù)中光聲信號(hào)的理論推導(dǎo)。對(duì)洛倫茲吸收線型進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開，給出諧波檢測技術(shù)的理論依據(jù)，并分析剩余幅度調(diào)制的來源和相關(guān)參量。
　　2.介紹可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)和石

5、英增強(qiáng)型光聲光譜(QEPAS)技術(shù)的典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及TDLAS系統(tǒng)三種信號(hào)解調(diào)方式:直接差分、諧波檢測和差分后再諧波檢測。闡述波長調(diào)制和鎖相檢測技術(shù)原理。
　　3.分析了TDLAS系統(tǒng)的非電子噪聲來源。具體包括:光纖宏彎（抖動(dòng)）、環(huán)境溫度變化引起光器件工作狀態(tài)改變帶來的功率波動(dòng)噪聲;本底吸收影響，即大氣高組分氣體殘留在器件內(nèi)部引起的非氣室內(nèi)待測氣體的吸收;光路中多個(gè)光學(xué)平面之間的標(biāo)準(zhǔn)具干涉噪聲干擾。
　　4.詳細(xì)研究了波長

6、調(diào)制下激光器輸出光頻（波長）和功率之間的相位差對(duì)二次諧波信號(hào)的影響，并利用氣體吸收峰對(duì)該相位差進(jìn)行了測量。上述相位差根據(jù)驅(qū)動(dòng)電流的作用分為調(diào)制相位差和掃描相位差。研究了調(diào)制相位差分別對(duì)單相鎖相檢測系統(tǒng)和雙相鎖相檢測系統(tǒng)所得到的二次諧波信號(hào)的影響，并且針對(duì)單相鎖相的影響提出相位補(bǔ)償?shù)霓k法。還研究了掃描相位差對(duì)諧波信號(hào)的影響。提出了一種基于時(shí)間差測量相位差的方法，利用氣體吸收峰對(duì)50Hz～50kHz驅(qū)動(dòng)頻率下正弦和三角波驅(qū)動(dòng)激光器產(chǎn)生的相位

7、差進(jìn)行測量，并進(jìn)行相關(guān)分析。
　　5.深入研究了激光器功率非線性對(duì)低濃度檢測時(shí)諧波信號(hào)的影響。理論分析并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了激光器非線性效應(yīng)對(duì)一次和二次諧波的影響與驅(qū)動(dòng)激光器的掃描電流有關(guān)。分析了激光器非線性效應(yīng)對(duì)低濃度下一次諧波檢測和二次諧波檢測信號(hào)的影響，以二次諧波檢測為例，該非線性效應(yīng)帶來的信號(hào)畸變量約與5ppm（利用5m氣室進(jìn)行檢測）水蒸氣產(chǎn)生的吸收信號(hào)的幅值相當(dāng)，因而在痕量檢測應(yīng)用中非線性的影響不能忽視。針對(duì)激光器非線性輸出對(duì)痕量

8、氣體檢測造成的影響，提出利用雙光路結(jié)構(gòu)進(jìn)行抑制。
　　6.針對(duì)QEPAS系統(tǒng)光聲信號(hào)的提升展開研究。研究包括:聲波共振管的最佳放置位置和各點(diǎn)的共振放大倍數(shù);同等物理結(jié)構(gòu)下對(duì)比石英材料和不銹鋼材料共振結(jié)構(gòu)的共振效果;利用直角棱鏡反射光束與入射光束光軸錯(cuò)離的特點(diǎn)，提出了一種基于直角棱鏡搭建的雙程QEPAS氣體檢測系統(tǒng)，利用棱鏡將單路透射光束反射，使反射光束二次激發(fā)光聲信號(hào)，并進(jìn)行聲波共振放大，在提升光聲信號(hào)的同時(shí)改變了音叉在系統(tǒng)中的響

9、應(yīng)特性，使系統(tǒng)信號(hào)放大倍數(shù)由16增加至22.4倍，且噪聲幅度由單程結(jié)構(gòu)的14.3μV降至11.6μV，改善系統(tǒng)信噪比。
　　7.研究了改變稀釋氣體（背景氣體）對(duì)檢測系統(tǒng)信號(hào)的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)同一濃度（體積比）甲烷氣體在分別以氮?dú)?、氧氣和乙烷作為稀釋氣體的檢測系統(tǒng)中產(chǎn)生的吸收信號(hào)各不相同，根據(jù)吸收信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理分析認(rèn)為改變稀釋氣體導(dǎo)致待測氣體譜線線寬發(fā)生變化，進(jìn)而影響檢測到的吸收峰峰值和二次諧波信號(hào)幅值。利用統(tǒng)計(jì)力學(xué)的碰撞理論對(duì)譜線線