【摘要】：甲烷(CH_4)氣體無色、無味,但卻易燃、易爆,排放到大氣中會產(chǎn)生溫室效應,使地球氣候變暖,因此對甲烷氣體的監(jiān)測或檢測有非�，F(xiàn)實的意義。光聲光譜技術具有探測靈敏度高、動態(tài)范圍大、對波長沒有選擇性等一系列優(yōu)點,已經(jīng)被廣泛的使用在痕量氣體檢測領域中。本文首先闡述了光聲光譜技術的理論,并從光聲池的結構設計角度提出了光束兩次通過光聲池的雙光程方案,使用新設計的光聲池搭建了甲烷氣體傳感系統(tǒng),并對甲烷氣體進行了探測,獲得了很好的結果。光聲光譜技術原理從信號產(chǎn)生機理和探測的過程上來說包括:光源的調制、氣體紅外吸收、熱的產(chǎn)生、聲的激發(fā)、弱信號的檢測和提取等。本文對氣體分子的紅外吸收過程作了詳細的介紹;對光聲信號的產(chǎn)生過程作了詳細的推導;對波長調制技術原理進行了深入的分析;對鎖相放大器和微音器的工作過程進行了相關的討論。光聲光譜系統(tǒng)中的核心器件是光聲池。本文對光聲池的設計原則,光聲池結構和材料的選取做了相關介紹,并以標準的圓柱狀的光聲池為例,分析了池中的聲場分布,計算得到了池中聲信號的幅值,為光聲池結構的設計,性能的優(yōu)化,以及雙光程光路的設計提供了依據(jù)。在本論文實驗部分,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,結合設計的大內徑共振光聲池,發(fā)展了一款用于探測甲烷的雙光程光聲光譜氣體傳感器。在光聲光譜中,由于光聲信號幅值與光學吸收路徑成正比,因此對光的吸收路徑增加一倍,則光聲信號的強度也會增加一倍。實驗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,入射光通過光聲池后被平面鏡反射,二次通過光聲池。為了獲取最佳的信噪比,一系列的優(yōu)化實驗被執(zhí)行,包括光聲池響應頻率特性優(yōu)化,激光器調制深度優(yōu)化,氣體流速優(yōu)化。通過對傳感器性能的評估,獲得的探測靈敏度為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)。我們還在實驗上對光束單次和雙次通過傳感系統(tǒng)產(chǎn)生的信號進行了對比,其實驗結果和理論一致。該傳感器由于使用性價比較高的近紅外DFB激光二極管作為激勵源,其裝置結構簡單,成本低,可以滿足對大氣環(huán)境的檢測、瓦斯礦井的監(jiān)測、工業(yè)生產(chǎn)過程的控制等其它領域的探測需求。
【學位授予單位】：山西大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O657.3;TP212

【參考文獻】

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本文編號：2608281