發(fā)布時(shí)間：2020-03-31 00:25

【摘要】：甲烷(CH_4)氣體無(wú)色、無(wú)味,但卻易燃、易爆,排放到大氣中會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng),使地球氣候變暖,因此對(duì)甲烷氣體的監(jiān)測(cè)或檢測(cè)有非�，F(xiàn)實(shí)的意義。光聲光譜技術(shù)具有探測(cè)靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、對(duì)波長(zhǎng)沒有選擇性等一系列優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被廣泛的使用在痕量氣體檢測(cè)領(lǐng)域中。本文首先闡述了光聲光譜技術(shù)的理論,并從光聲池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度提出了光束兩次通過(guò)光聲池的雙光程方案,使用新設(shè)計(jì)的光聲池搭建了甲烷氣體傳感系統(tǒng),并對(duì)甲烷氣體進(jìn)行了探測(cè),獲得了很好的結(jié)果。光聲光譜技術(shù)原理從信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理和探測(cè)的過(guò)程上來(lái)說(shuō)包括:光源的調(diào)制、氣體紅外吸收、熱的產(chǎn)生、聲的激發(fā)、弱信號(hào)的檢測(cè)和提取等。本文對(duì)氣體分子的紅外吸收過(guò)程作了詳細(xì)的介紹;對(duì)光聲信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程作了詳細(xì)的推導(dǎo);對(duì)波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)原理進(jìn)行了深入的分析;對(duì)鎖相放大器和微音器的工作過(guò)程進(jìn)行了相關(guān)的討論。光聲光譜系統(tǒng)中的核心器件是光聲池。本文對(duì)光聲池的設(shè)計(jì)原則,光聲池結(jié)構(gòu)和材料的選取做了相關(guān)介紹,并以標(biāo)準(zhǔn)的圓柱狀的光聲池為例,分析了池中的聲場(chǎng)分布,計(jì)算得到了池中聲信號(hào)的幅值,為光聲池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),性能的優(yōu)化,以及雙光程光路的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。在本論文實(shí)驗(yàn)部分,利用甲烷氣體分子2ν_3帶的吸收光譜特性,以1.65μm的蝶形分布反饋式(DFB)激光器作為光源,結(jié)合設(shè)計(jì)的大內(nèi)徑共振光聲池,發(fā)展了一款用于探測(cè)甲烷的雙光程光聲光譜氣體傳感器。在光聲光譜中,由于光聲信號(hào)幅值與光學(xué)吸收路徑成正比,因此對(duì)光的吸收路徑增加一倍,則光聲信號(hào)的強(qiáng)度也會(huì)增加一倍。實(shí)驗(yàn)中一面具有高反射率的平面鏡被安裝在光聲池的光路出口處,入射光通過(guò)光聲池后被平面鏡反射,二次通過(guò)光聲池。為了獲取最佳的信噪比,一系列的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)被執(zhí)行,包括光聲池響應(yīng)頻率特性優(yōu)化,激光器調(diào)制深度優(yōu)化,氣體流速優(yōu)化。通過(guò)對(duì)傳感器性能的評(píng)估,獲得的探測(cè)靈敏度為0.21ppm,歸一化噪聲等效吸收系數(shù)(1σ)的值為2.1×10~(-8)cm~(-1)·W·Hz~(-1/2)。我們還在實(shí)驗(yàn)上對(duì)光束單次和雙次通過(guò)傳感系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行了對(duì)比,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論一致。該傳感器由于使用性價(jià)比較高的近紅外DFB激光二極管作為激勵(lì)源,其裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,可以滿足對(duì)大氣環(huán)境的檢測(cè)、瓦斯礦井的監(jiān)測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制等其它領(lǐng)域的探測(cè)需求。
【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O657.3;TP212

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2608281