【摘要】：對有毒、有害、易燃、易爆氣體進(jìn)行快速準(zhǔn)確的在線監(jiān)測與預(yù)警是保證工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全、居民生活安全的重要一環(huán),也是不斷推進(jìn)《中國制造2025》的重要保障。待測氣體組分含量可能在百萬分之一量級或者以下,測量場景也往往涉及高溫高壓、組分多樣化等復(fù)雜環(huán)境。例如,我國正在建設(shè)的“天宮”空間站、“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)、“嫦娥”系列衛(wèi)星為代表的航天、探月工程和國產(chǎn)航母、“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器為代表的海洋、深海運(yùn)載技術(shù),飛行器和運(yùn)載艙內(nèi)外都需要對痕量氣體進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測,以保障人員的生命安全和設(shè)備的正常運(yùn)行;十九大指出,綠色發(fā)展理念和生態(tài)文明建設(shè)是我們中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計(jì),為了滿足美麗中國、科學(xué)發(fā)展的需求,需要對火力發(fā)電、工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣排放等過程中燃燒排放的殘留物進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控;同時(shí),能源是人類文明不斷發(fā)展進(jìn)步的發(fā)動(dòng)機(jī),是事關(guān)國計(jì)民生、國家安全的大事,在能源的開采開發(fā)過程中,安全開采一直是能源行業(yè)高度重視的課題,甲烷、乙炔等烯烴類可燃?xì)怏w的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測在煤、石油、天然氣的開采和輸送過程中至關(guān)重要。隨著中國在特高壓領(lǐng)域快速的發(fā)展,高壓設(shè)備內(nèi)相關(guān)絕緣氣體監(jiān)測是電廠安全輸電、居民安全用電的重要保障;隨著近幾年頻繁爆發(fā)的食品、藥品安全事件,食藥安全問題已經(jīng)引起政府相關(guān)部門的高度重視,對食品藥品的一系列抽樣檢測中涉及最廣的一項(xiàng)是包裝材料阻隔性能和包裝殘留檢測,這就要求氣體傳感系統(tǒng)具有高的測量靈敏度和響應(yīng)速度以保證生產(chǎn)效率。光纖氣體傳感器因?yàn)槠浔菊靼踩�、抗電磁干擾、耐高溫高壓,易遠(yuǎn)程傳輸和復(fù)用等多種優(yōu)勢越來越受到研究人員的重視,不僅如此,在實(shí)際的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也逐漸應(yīng)用開來。光纖氣體傳感器的基本原理是檢測氣體對特定波長處的光功率吸收,在低濃度情況下,這種光功率變化非常微弱,因此尋找高靈敏度的檢測方法一直是光纖氣體傳感最重要的研究內(nèi)容。差分吸收法是最常用的消除背景噪聲的檢測方法之一,但除了氣體吸收之外還存在引起兩路差分輸出的其他干擾因素,因此差分法的靈敏度和可靠性受到外部環(huán)境波動(dòng)的限制。諧波法通過對光源附加高頻調(diào)制,利用鎖相放大器對吸收產(chǎn)生的諧波信號進(jìn)行探測,能夠大幅提升系統(tǒng)信噪比,然而,因強(qiáng)度調(diào)制帶來的剩余幅度調(diào)制干擾對最終信號提取帶來影響。懷特池等多次往返設(shè)計(jì)能夠有效增加氣體吸收光程,配合諧波法檢測系統(tǒng),進(jìn)一步提升了測量靈敏度,但體積大、易受環(huán)境影響等因素限制了其在一些特定場合中的應(yīng)用。除此之外,多次往返吸收池每增加一倍吸收光程都會(huì)大幅增加設(shè)計(jì)難度和加工成本。激光內(nèi)腔衰蕩光譜能有效增強(qiáng)氣體的吸收,顯示了非常好的前景,但仍然擺脫不了強(qiáng)背景光對探測器飽和的影響。光聲光譜氣體傳感技術(shù)通過探測激光吸收激發(fā)的聲波信號來分析氣體濃度,擺脫了背景光和背景吸收的干擾,然而,激發(fā)光功率較低一直是限制光聲信號提升的一個(gè)瓶頸。除此之外,由于以上方法全部基于譜線吸收幅值檢測,不可避免地受到吸收譜線線型的影響。在壓強(qiáng)改變、背景氣體復(fù)雜多變的測量環(huán)境下,吸收譜線的線型偏移和展寬是必然發(fā)生的,這將直接導(dǎo)致原先已標(biāo)定好的氣體傳感系統(tǒng)失靈。特別是復(fù)雜背景氣體的干擾,目前工程上尚沒有好的解決方案。本論文主要針對以上氣體傳感系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用中涉及到的關(guān)鍵技術(shù),為消除各類背景干擾提出了一系列解決方法,著力提高氣體傳感系統(tǒng)的檢測極限和抗背景干擾能力,本論文的主要內(nèi)容包括:1.介紹了基于催化燃燒法、電化學(xué)法等傳統(tǒng)氣體檢測方法的檢測原理的優(yōu)缺點(diǎn),詳細(xì)介紹了基于可調(diào)諧激光吸收光譜的直接吸收光譜技術(shù)和光聲光譜技術(shù)的檢測原理和它們的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。2.詳細(xì)介紹了分子的光譜吸收理論,包括Beer-Lambert定律、吸收譜線線強(qiáng)理論、吸收譜線線型函數(shù)理論。3.從器件選取及測試、吸收譜線選取等方面詳細(xì)研究了構(gòu)建一套直接吸收光譜法的氣體檢測系統(tǒng)的基本流程和注意事項(xiàng),介紹了掃描吸收光譜法和波長調(diào)制光譜法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作方式和吸收信號解調(diào)原理,設(shè)計(jì)了上述方法中所用到的減法、除法、BRD、鎖相放大器的信號解調(diào)電路并解釋了其對濃度解調(diào)的工作機(jī)理,作為拓展延伸,研究了一種基于矢量鎖相的相位檢測模塊,能夠從幅值時(shí)變的復(fù)雜弱信號中精確測得待測頻率的相位。4.研究了直接吸收光譜法氣體傳感系統(tǒng)中存在的背景干擾,提出了相應(yīng)的解決方法。以水蒸氣檢測為例,從額外吸收性背景干擾和非吸收性背景干擾兩方面分析干擾因素的主要來源,額外吸收性背景干擾來源于光學(xué)器件封裝過程中引入的背景氣體吸收,研究了光電探測器配對、長光程吸收池稀釋、無水光學(xué)器件三種手段降低額外背景氣體吸收的干擾,將水蒸氣傳感系統(tǒng)的額外背景等效吸收從727.7 ppm降到1.7 ppm;分析了氣體傳感系統(tǒng)中非吸收性功率波動(dòng)的來源,研究了減法、除法、BRD解調(diào)電路在面對非吸收性功率波動(dòng)時(shí)的不同表現(xiàn)效果,研究了一種單光路吸收峰解調(diào)算法,能夠抑制非吸收性功率波動(dòng)對測量信號的干擾。5.介紹了光聲光譜法氣體檢測技術(shù),根據(jù)光聲信號檢測方式的不同分別介紹了聚聲腔型光聲光譜、法珀腔型光聲光譜和石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜氣體傳感系統(tǒng)。重點(diǎn)研究了石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜氣體傳感系統(tǒng),優(yōu)化了在光聲光譜應(yīng)用中的激光器掃描頻率、波長調(diào)制系數(shù);在長達(dá)8個(gè)月的時(shí)間里研究了石英音叉中心頻率、聲音檢測效率的長期穩(wěn)定性;通過實(shí)驗(yàn)對比了幾種光聲共振結(jié)構(gòu),最后得出共軸雙管型共振結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)石英音叉光聲檢測中能夠起到最好的光聲增強(qiáng)效果,且工程化難度相對較低。為了提升光聲光譜氣體傳感系統(tǒng)的測量靈敏度,研究了一種基于二次諧波的波長校準(zhǔn)技術(shù),該技術(shù)使我們能夠通過壓縮鎖相放大器濾波帶寬和對結(jié)果進(jìn)行多次平均,最終將系統(tǒng)信噪比提升一個(gè)數(shù)量級以上;基于微型準(zhǔn)直器,設(shè)計(jì)了一種往返光聲增強(qiáng)結(jié)構(gòu),在不引入多余噪聲的情況下將光聲信號提升近一倍。6.將干涉理論和吸收光譜技術(shù)相結(jié)合,提出了一種傅里葉域光學(xué)相干吸收光譜技術(shù),該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)吸收譜線面積檢測和分布式氣體檢測,對不同壓強(qiáng)、不同背景氣體下造成線型函數(shù)對測量結(jié)果的影響有抑制作用,建立了相應(yīng)的理論模型,通過模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該理論用于氣體檢測的可行性。本論文的創(chuàng)新點(diǎn)有:1.提出一種單光路吸收峰解調(diào)算法,該算法不需借助參考光路和參考信號,能夠?qū)в形辗逍畔⒌膾呙杌�拉平,獲取吸收峰信號用于氣體濃度解調(diào),同時(shí),該算法中集成了光功率歸一化系數(shù),理論上能夠完全消除非吸收性功率波動(dòng)對測得吸收峰信號的干擾,經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有良好的效果。2.研究了激光器掃描頻率對光聲光譜氣體傳感系統(tǒng)的光聲信號的影響,光聲信號的產(chǎn)生是通過物質(zhì)對光子能量的吸收后產(chǎn)生熱,進(jìn)而轉(zhuǎn)換成壓力波即聲波的形式,與光電探測器對光的高速探測不同,光聲信號的產(chǎn)生和檢測涉及到能量的轉(zhuǎn)化、積累和傳播,因此掃描頻率不能太快,本文優(yōu)化了光聲光譜氣體檢測應(yīng)用中的掃描頻率,以獲得最大的光聲信號;通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了波長調(diào)制系數(shù)m,得出了實(shí)際應(yīng)用中最優(yōu)調(diào)制系數(shù)并不一定是2.2的論斷并給出了解釋;對石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)中光聲檢測元件裸露的石英音叉,進(jìn)行了長達(dá)8個(gè)月的長期穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)涉及其中心頻率、聲音探測效率,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裸露音叉長期暴露在空氣環(huán)境中,其中心頻率會(huì)發(fā)生偏移,聲音探測效率也會(huì)隨之下降。3.為了提升光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)測量靈敏度,提出一種基于二次諧波峰值的波長校準(zhǔn)技術(shù),該技術(shù)與定波長-波長調(diào)制技術(shù)相結(jié)合,能夠避開光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)中光源掃描頻率的限制,使得壓縮鎖相放大器濾波帶寬和對測量結(jié)果進(jìn)行多次平均成為可能,大幅提升檢測系統(tǒng)的信噪比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明信噪比提升一個(gè)數(shù)量級以上;設(shè)計(jì)了一種小型化往返型光聲共振增強(qiáng)光路,在不引入多余噪聲的前提下將光聲信號提升了近一倍。4.提出傅里葉域光學(xué)相干吸收光譜技術(shù),將干涉理論與吸收光譜相結(jié)合,該技術(shù)具有吸收譜線線型內(nèi)吸收面積檢測的特點(diǎn),對壓強(qiáng)、背景氣體引起的吸收線型展寬對幅值檢測方法的影響有抑制作用,此外,通過對該方法測得的干涉信號進(jìn)行傅里葉變換,能夠?qū)崿F(xiàn)分布式氣體檢測。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP212
【圖文】：

１．２．１催化燃燒法逡逑催化燃燒法氣體傳感器顧名思義是靠檢測待測氣體的燃燒現(xiàn)象來測量可燃?xì)忮义象w在空氣中的含量［１５］邋［１６］。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖１．邋１所示，催化燃燒傳感器內(nèi)部逡逑由兩段鉑絲電阻組成，一段上面覆蓋燃燒催化劑為檢測片，另一端則沒有覆蓋燃逡逑燒催化劑為補(bǔ)償片，當(dāng)傳感器與待測的可燃?xì)怏w接觸時(shí)，可燃?xì)怏w在催化劑的作逡逑用下發(fā)生無焰燃燒，使得檢測片的鉑絲電阻阻值升高，而補(bǔ)償片的鉑絲電阻沒有逡逑變化，通過測量檢測片與補(bǔ)償片之間的電阻差來分析待測氣體濃度。逡逑灑凈的空￥邐當(dāng)存在可燃?xì)怏w時(shí)逡逑撲焌？0逡逑Ｒ？二邐ｎｏ邋ｃａｔｊｉｙａｔ邐ＲＱ邐丨、電ＳＩ無逡逑＼邐４：邋，邐ｆ＂＂邋＼逡逑Ｐｔｕｎｗｉｓ邐＜，：邐ｗ邐＿邐Ｐｔ邋加熱器逡逑—邋邐邋邐逡逑v洌祝模╁危遙模蹋義危ǖ韁胺鴨櫻義賢跡保澹貝呋忌輾ㄆ宕釁骷觳庠硎疽饌跡郟保矗叔義銜瞬飭坎康繾璧謀浠榭觶呋忌輾ㄆ宕釁魍尤臚跡保澹插澹ǎ幔╁義系緶分

本文編號：2763132