本文關(guān)鍵詞：基于QCL的紅外一氧化碳檢測(cè)系統(tǒng)研究

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【摘要】：一氧化碳是煤礦爆炸和煤礦火災(zāi)的主要元兇及有毒有害氣體產(chǎn)物之一。一方面,一氧化碳的爆炸極限約為百分之十二到百分之七十四,在這樣寬的范圍內(nèi)與空氣混合極易發(fā)生爆炸。另一方面,一氧化碳常被看作預(yù)防煤礦火災(zāi)的主要指標(biāo),在煤礦火災(zāi)事故發(fā)生時(shí),通常較早、快速而且大量地生成一氧化碳。與此同時(shí),一氧化碳也是大氣化學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)過(guò)程控制以及生命科學(xué)等眾多領(lǐng)域的示蹤物。所以,無(wú)論對(duì)于煤礦安全監(jiān)測(cè),還是大氣化學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)過(guò)程控制以及生命科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域,研制具有高選擇性、高靈敏度、低響應(yīng)時(shí)間、性能穩(wěn)定的一氧化碳檢測(cè)系統(tǒng),具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本課題來(lái)源于國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“煤礦突水、火災(zāi)等重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)”,課題名稱(chēng):煤礦用紅外CO檢測(cè)儀(傳感器)研發(fā)(項(xiàng)目編號(hào):2013BAK06B00,課題編號(hào):2013BAK06B04)。紅外光源在基于紅外光譜技術(shù)的氣體檢測(cè)系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用,它既決定了紅外光譜檢測(cè)技術(shù)的種類(lèi),又與系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)(如檢測(cè)下限、系統(tǒng)穩(wěn)定度等)相關(guān),所以使光源安全、穩(wěn)定、高效的工作十分必要。針對(duì)脈沖型和連續(xù)型分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器,設(shè)計(jì)并制作了兩款專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)電源。其中,脈沖式驅(qū)動(dòng)電源依“多級(jí)隔離”思想實(shí)現(xiàn),具有納秒級(jí)的上升/下降時(shí)間,200ns的過(guò)流保護(hù)響應(yīng)時(shí)間,0.004%的輸出電流線(xiàn)性度和2.5×10-5的輸出電流長(zhǎng)期穩(wěn)定度。連續(xù)式驅(qū)動(dòng)電源以應(yīng)用于波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)為目的,兼具直流與調(diào)制雙重工作模式,并且集成了溫度控制功能。其過(guò)流保護(hù)響應(yīng)時(shí)間約為43ns,輸出電流線(xiàn)性度為0.007%,輸出電流長(zhǎng)期穩(wěn)定度3.0×10-5,控溫精度可達(dá)±0.005℃。針對(duì)一氧化碳?xì)怏w在中紅外區(qū)域的吸收特征,利用中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器,設(shè)計(jì)并搭建了一套基于直接吸收紅外光譜檢測(cè)技術(shù)的氣體檢測(cè)系統(tǒng)。其中,作為系統(tǒng)光源的脈沖式分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器,能夠工作于室溫條件下,其中心波長(zhǎng)為2103cm-1,而且具有較高的發(fā)光功率。為了降低光源波動(dòng)、系統(tǒng)噪聲并改善測(cè)量精度和檢測(cè)靈敏度,本系統(tǒng)將脈沖幅度調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制、相敏檢測(cè)以及軟件濾波等技術(shù)相結(jié)合,達(dá)到了良好的效果。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)選擇一氧化碳位于2103.2697cm-1處的P(10)吸收譜線(xiàn)時(shí),在空氣壓力以及1秒采樣率的條件下,系統(tǒng)的最低濃度檢測(cè)限為25ppm。與此同時(shí),對(duì)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,在一氧化碳濃度處于100ppm和1000ppm的條件下,2小時(shí)的時(shí)間內(nèi),系統(tǒng)穩(wěn)定度分別為0.037和0.007。為了提高紅外一氧化碳檢測(cè)系統(tǒng)的整體性能,設(shè)計(jì)并搭建了基于連續(xù)式量子級(jí)聯(lián)激光器的檢測(cè)平臺(tái)。該檢測(cè)系統(tǒng)以能夠室溫工作、中心波長(zhǎng)為2099cm-1的連續(xù)式分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器為核心,并結(jié)合波長(zhǎng)調(diào)制光譜檢測(cè)技術(shù)、差分吸收光譜檢測(cè)技術(shù)以及相敏檢測(cè)技術(shù)等,有效地降低了光源波動(dòng)、系統(tǒng)噪聲的影響并改善了系統(tǒng)的測(cè)量精度和檢測(cè)靈敏度。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)選擇一氧化碳位于2099.083cm-1處的P(11)吸收譜線(xiàn)時(shí),在空氣壓力以及1秒采樣率的條件下,系統(tǒng)的最低濃度檢測(cè)限為0.42ppm。與此同時(shí),采用阿蘭偏差對(duì)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,在最優(yōu)積分時(shí)間為128s時(shí),系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)0.05ppm的測(cè)量精度。本痕量氣體檢測(cè)平臺(tái)的優(yōu)越性能,使其不僅能夠適應(yīng)于礦井安全應(yīng)用,而且能夠滿(mǎn)足大氣化學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)過(guò)程控制以及生命科學(xué)等諸多領(lǐng)域?qū)σ谎趸嫉臋z測(cè)需求。創(chuàng)新點(diǎn):1、分別建立了基于脈沖式量子級(jí)聯(lián)激光器的CO檢測(cè)系統(tǒng)的直接光譜吸收實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃突谶B續(xù)式量子級(jí)聯(lián)激光器的CO檢測(cè)系統(tǒng)的波長(zhǎng)調(diào)制和差分光譜吸收混合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ�。用于模擬和估計(jì)在包括目標(biāo)氣體濃度、吸收路徑長(zhǎng)度、溫度、壓力和波長(zhǎng)等不同實(shí)驗(yàn)條件下,系統(tǒng)輸出的變化情況。2、針對(duì)中心波長(zhǎng)為2103cm-1的脈沖型分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器,設(shè)計(jì)并研制了脈沖驅(qū)動(dòng)電源。為了提高系統(tǒng)的的抗干擾能力,該電源依“多級(jí)隔離”思想實(shí)現(xiàn)。同時(shí),深度電壓負(fù)反饋與比例-積分-微分軟件算法相結(jié)合,提高了輸出電流的穩(wěn)定度。另外,它還具備高穩(wěn)定的供電系統(tǒng)和較完善的保護(hù)系統(tǒng)。3、針對(duì)中心波長(zhǎng)為2099 cm-1的連續(xù)型分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器,設(shè)計(jì)并研制了連續(xù)型驅(qū)動(dòng)電源。該電源兼具直流與調(diào)制雙重工作模式,而且能夠?qū)す馄鬟M(jìn)行高精度溫度控制,控溫精度可達(dá)±0.005℃。此外,驅(qū)動(dòng)電源的電流監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)保護(hù)等功能能夠有效確保激光器安全穩(wěn)定的工作。這是國(guó)內(nèi)首次針對(duì)連續(xù)型量子級(jí)聯(lián)激光器設(shè)計(jì)具有調(diào)制功能的單板驅(qū)動(dòng)電源并對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。4、利用國(guó)內(nèi)自主研制的中心波長(zhǎng)為2099 cm-1的連續(xù)型分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器,并結(jié)合波長(zhǎng)調(diào)制光譜檢測(cè)技術(shù)、差分吸收光譜檢測(cè)技術(shù)以及相敏檢測(cè)技術(shù)對(duì)低濃度一氧化碳?xì)怏w進(jìn)行探測(cè)。國(guó)內(nèi)尚無(wú)這方面研究。
【關(guān)鍵詞】：一氧化碳 光譜 紅外 量子級(jí)聯(lián)激光器 驅(qū)動(dòng)電路
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TD712
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 第1章 緒論14-40
• 1.1 課題的研究意義及來(lái)源14-16
• 1.1.1 課題的研究意義14-16
• 1.1.2 課題的來(lái)源16
• 1.2 以量子級(jí)聯(lián)激光器為代表的紅外光源16-21
• 1.2.1 紅外光源的種類(lèi)16-20
• 1.2.2 紅外光源的選擇20-21
• 1.3 以光電探測(cè)器為代表的紅外探測(cè)器21-24
• 1.3.1 紅外探測(cè)器的種類(lèi)21-24
• 1.3.2 紅外探測(cè)器的選擇24
• 1.4 基于QCL的紅外一氧化碳檢測(cè)技術(shù)24-37
• 1.4.1 量子級(jí)聯(lián)激光器25-27
• 1.4.2 國(guó)外基于QCL的紅外一氧化碳檢測(cè)研究進(jìn)展27-34
• 1.4.3 國(guó)內(nèi)基于QCL的紅外一氧化碳檢測(cè)研究進(jìn)展34-37
• 1.5 本論文的主要研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)37-40
• 1.5.1 本論文的主要研究?jī)?nèi)容37
• 1.5.2 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)37-40
• 第2章 紅外氣體檢測(cè)原理與技術(shù)40-66
• 2.1 分子光譜理論40-47
• 2.1.1 分子紅外光譜的機(jī)理40-42
• 2.1.2 分子能級(jí)結(jié)構(gòu)42-44
• 2.1.3 紅外光譜的特性44-47
• 2.2 朗伯-比爾定律的描述47-50
• 2.2.1 朗伯-比爾定律的公式推導(dǎo)48-49
• 2.2.2 應(yīng)用朗伯-比爾定律時(shí)的注意事項(xiàng)49-50
• 2.3 一氧化碳的紅外吸收光譜50-56
• 2.3.1 一氧化碳的光譜吸收特性50-52
• 2.3.2 選擇合適的吸收譜線(xiàn)52-56
• 2.4 紅外光譜檢測(cè)技術(shù)56-63
• 2.4.1 NDIR光譜檢測(cè)技術(shù)56-57
• 2.4.2 長(zhǎng)光程光譜檢測(cè)技術(shù)57-59
• 2.4.3 波長(zhǎng)/頻率調(diào)制光譜檢測(cè)技術(shù)59-60
• 2.4.4 腔增強(qiáng)光譜檢測(cè)技術(shù)60-61
• 2.4.5 光聲光譜檢測(cè)技術(shù)61-63
• 2.5 本章小結(jié)63-66
• 第3章 量子級(jí)聯(lián)激光器驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)與研制66-94
• 3.1 引言66-67
• 3.2 脈沖式驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)與研制67-79
• 3.2.1 系統(tǒng)原理68-69
• 3.2.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)69-75
• 3.2.3 系統(tǒng)測(cè)試75-79
• 3.3 連續(xù)式驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)與研制79-92
• 3.3.1 系統(tǒng)原理79-81
• 3.3.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)81-88
• 3.3.3 系統(tǒng)測(cè)試88-92
• 3.4 本章小結(jié)92-94
• 第4章 基于脈沖式量子級(jí)聯(lián)激光器的CO檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)94-122
• 4.1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/span>94-98
• 4.1.1 電光調(diào)制95
• 4.1.2 氣體吸收95-96
• 4.1.3 光電轉(zhuǎn)換96-97
• 4.1.4 解調(diào)處理97-98
• 4.2 一氧化碳吸收譜線(xiàn)分析98-103
• 4.2.1 激光器的輸出特性98-100
• 4.2.2 探測(cè)器的響應(yīng)特性100-101
• 4.2.3 吸收譜線(xiàn)強(qiáng)度101-102
• 4.2.4 非目標(biāo)分子干擾的影響102-103
• 4.3 系統(tǒng)搭建103-116
• 4.3.1 光學(xué)部分103-106
• 4.3.2 電學(xué)部分106-114
• 4.3.3 配氣系統(tǒng)114-116
• 4.4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果116-119
• 4.4.1 最低檢測(cè)限與響應(yīng)時(shí)間116-117
• 4.4.2 檢測(cè)精度與誤差117-118
• 4.4.3 穩(wěn)定性測(cè)試118-119
• 4.5 本章小結(jié)119-122
• 第5章 基于連續(xù)式量子級(jí)聯(lián)激光器的CO檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)122-154
• 5.1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/span>122-127
• 5.1.1 電光調(diào)制123
• 5.1.2 氣體吸收123-124
• 5.1.3 光電轉(zhuǎn)換124-125
• 5.1.4 解調(diào)處理125-127
• 5.2 一氧化碳吸收譜線(xiàn)選擇127-132
• 5.2.1 量子級(jí)聯(lián)激光器的輸出特性127-129
• 5.2.2 探測(cè)器的響應(yīng)特性129-130
• 5.2.3 吸收譜線(xiàn)強(qiáng)度130-131
• 5.2.4 不相干分子干擾的影響131-132
• 5.3 系統(tǒng)搭建132-148
• 5.3.1 光學(xué)部分132-136
• 5.3.2 電學(xué)部分136-147
• 5.3.3 配氣系統(tǒng)147-148
• 5.4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果148-152
• 5.4.1 最低檢測(cè)限與響應(yīng)時(shí)間148-150
• 5.4.2 檢測(cè)精度與誤差150-151
• 5.4.3 穩(wěn)定性測(cè)試151-152
• 5.5 本章小結(jié)152-154
• 第6章 總結(jié)與展望154-158
• 6.1 主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論154-156
• 6.2 論文創(chuàng)新點(diǎn)156
• 6.3 工作展望156-158
• 參考文獻(xiàn)158-170
• 作者簡(jiǎn)介及在學(xué)期間所取得的科研成果170-172
• 致謝172

【參考文獻(xiàn)】

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中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前3條

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