本文關(guān)鍵詞：可調(diào)諧激光吸收光譜氣體傳感器性能提升研究　出處：《山東大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關(guān)文章： 可調(diào)諧半導體激光吸收光譜 穩(wěn)定性 檢測極限 靈敏度 波形校正 背景吸收干擾 剩余幅度調(diào)制

【摘要】：隨著我國科學技術(shù)發(fā)展和社會進步,目前需要對工業(yè)生產(chǎn)和社會生活中的諸多環(huán)節(jié)進行實時在線氣體檢測,以確保生產(chǎn)生活的順利進行。對源頭氣體、中間氣體和廢氣檢測是氣體檢測的組成部分。在各種氣體檢測技術(shù)中,基于近紅外吸收光譜檢測技術(shù)正受到越來越廣泛的應用。一方面,由于大多數(shù)生產(chǎn)生活的檢測氣體在近紅外波段具有光譜吸收特性;另一方面,由于光纖通信、半導體激光技術(shù)的發(fā)展為近紅外光譜吸收氣體檢測技術(shù)提供了極大的便利。光纖抗電子干擾能力強、傳輸損耗小、質(zhì)量輕,使得基于光纖的近紅外光譜吸收檢測技術(shù)被廣泛應用于各種復雜特殊的環(huán)境中。在各種近紅外光譜吸收檢測技術(shù)中,可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)的應用最為廣泛,常用的分支包括直接吸收技術(shù)、波長調(diào)制光譜技術(shù)以及光聲光譜技術(shù)。而基于以上技術(shù)的各種傳感器和智能儀器的研究正逐漸成為國家戰(zhàn)略發(fā)展的重要方向。對于實際應用的可調(diào)諧激光吸收光譜氣體傳感器來說,傳感器的性能和指標直接決定了它的檢測環(huán)境和應用范圍。為了能夠在各種環(huán)境中實現(xiàn)高精度、高可靠性檢測,傳感器的穩(wěn)定性、分辨率、檢測極限等指標成為重中之重,而為了便于從光譜信息到氣體信息的反演,波形的調(diào)整恢復技術(shù)也是重要一環(huán)。因此,針對這些指標的研究和提升工作是本論文的主要研究方向。本文主要以水蒸氣檢測為例介紹了對可調(diào)諧激光吸收光譜氣體傳感器器件選擇與系統(tǒng)搭建、穩(wěn)定性、分辨率和檢測極限、波形調(diào)整恢復和檢測系統(tǒng)實例等方面進行了分析論述。文章的主要工作包括:1.闡述了分子紅外吸收的理論基礎,給出氣體光譜吸收檢測技術(shù)的理論依據(jù)。對吸收線強、譜線線寬和線型函數(shù)等重要參數(shù)進行了介紹,分析了溫度、壓強對譜線寬度、線型函數(shù)及檢測系統(tǒng)檢測結(jié)果的影響。并對激光吸收光譜技術(shù)的常見分類—直接吸收光譜技術(shù)、波長調(diào)制光譜技術(shù)、光聲光譜技術(shù)等進行了介紹和對比,對可調(diào)諧激光吸收光譜氣體傳感器的常用器件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了介紹和對比。2.介紹了用于提高激光吸收光譜氣體傳感器穩(wěn)定性的方法。通過改進光學器件,減少外部環(huán)境和目標氣體背景濃度對器件的影響,為系統(tǒng)搭建奠定基礎;通過使用波長調(diào)制技術(shù)配合減法技術(shù),抑制系統(tǒng)的低頻掃描基線、器件內(nèi)背景氣體影響以及外部環(huán)境溫濕度的影響;通過人造吸收峰技術(shù),在每個掃描周期內(nèi)同時檢測實際吸收與人造吸收的比例關(guān)系,抑制非吸收損耗帶來的影響;并通過相位漂移抑制技術(shù)解決激光器長期工作后相位漂移對波長調(diào)制檢測系統(tǒng)的影響。3.介紹了用于提高可調(diào)諧激光吸收光譜氣體傳感器檢測極限提升的方法。通過使用Herriott池加反射鏡技術(shù),將等效光程提高近一倍,從而提高系統(tǒng)檢測極限和靈敏度近一倍;使用人造吸收峰技術(shù),抑制不規(guī)則背景噪聲并增強信號識別度,增強低濃度信號的信噪比;使用波長調(diào)制穩(wěn)頻技術(shù)提高系統(tǒng)的信噪比,減少檢測消耗時間,提高系統(tǒng)檢測極限的同時使快速檢測成為可能。4.介紹了用于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)波形恢復調(diào)整的技術(shù)方法。通過三光路先減后除配合波長調(diào)制技術(shù),使得系統(tǒng)對激光器強度調(diào)制效應抑制的同時提高系統(tǒng)信噪比;通過對各個掃描波長逐點進行調(diào)制度調(diào)整,使得波形可以根據(jù)需要進行調(diào)整,既可用于抑制強度調(diào)制帶來的影響,又可用于改善波形特殊點的采用率,減小誤差。5.以實際生產(chǎn)產(chǎn)品為例,介紹了可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)在實際生產(chǎn)生活中的應用。在食品包裝和變電站監(jiān)測領域,水氣傳感器被用于進行安全檢測和監(jiān)護;在環(huán)境監(jiān)測和食品安全檢測領域,一氧化碳傳感器被安裝和使用。在本論文的完成過程中,主要的創(chuàng)新點包括:1.考慮了光學器件對檢測系統(tǒng)的影響,并針對性的提出了改進方法。通過調(diào)整器件內(nèi)各部分的間距,減少背景氣體的光程;采用溫控,保證器件內(nèi)恒溫不受外部環(huán)境影響;同時采用特殊封裝并在高純氮環(huán)境下進行封裝,減少器件內(nèi)背景氣體的含量,從而抑制器件對檢測系統(tǒng)的影響。2.首次提出使用人造吸收峰技術(shù),通過調(diào)制人造吸收峰的波長,使得在每個檢測周期內(nèi)能夠同時檢測人造吸收峰和實際吸收峰,通過比值歸一化抑制非吸收損耗帶來的影響;通過調(diào)制波長使人造吸收峰與實際吸收峰重合時,增加實際吸收檢測幅值超過不規(guī)則背景噪聲,提高低濃度吸收信號的可識別度,提高系統(tǒng)的檢測極限;同時,對于直接吸收檢測系統(tǒng),人造吸收峰可以幫助參考點選擇,抑制噪聲影響。3.研究了激光器因長期工作造成的驅(qū)動電流與激光器強度調(diào)制之間的相位差漂移現(xiàn)象,并針對此現(xiàn)象首次提出解決方案。鎖相放大器的參考解調(diào)信號不再由產(chǎn)生調(diào)制信號的信號發(fā)生器產(chǎn)生而是由激光器出光后分光產(chǎn)生,可以抑制相位漂移帶來的影響,提高系統(tǒng)長期穩(wěn)定性。4.提出使用波長調(diào)制技術(shù)配合穩(wěn)頻技術(shù)壓縮鎖相放大器的帶寬,提高系統(tǒng)的信噪比,同時大幅提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度,在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時使得對于燃燒爆炸等快速檢測成為可能。另外,為了抑制激光器因長期工作帶來的波長漂移現(xiàn)象,提出了激光器穩(wěn)頻方案,并實現(xiàn)了理想的穩(wěn)頻效果。5.首次提出動態(tài)調(diào)制度波形調(diào)整技術(shù)。在應用波長調(diào)制光譜技術(shù)時,通過對各個掃描波長處的調(diào)制度進行動態(tài)調(diào)整,可以根據(jù)需要進行整個波形的調(diào)整,以純波長調(diào)制的理想信號為目標可以抑制半導體激光器強度調(diào)制帶來的影響。而通過改善諧波拐點處的波形時,可以改善這些地方采樣率不足的問題,提高系統(tǒng)的檢測精度。6.針對雙路減法用于共模噪聲抑制,除法用于激光器強度調(diào)制抑制,長光程氣室用于系統(tǒng)分辨率和檢測極限提升提出了改進方案,并對實際應用了相應技術(shù)的傳感器產(chǎn)品進行了介紹。
[Abstract]:On the one hand , the research and promotion of tunable laser absorption spectroscopy ( TDLAS ) has been widely used in various kinds of complex special environments . A method for improving the detection limit of tunable laser absorption spectrum gas sensor is introduced in this paper . In order to suppress the wavelength shift caused by the long - term operation of the laser , the laser frequency stabilization scheme is proposed and the ideal frequency stabilization effect is achieved .

【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP212

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本文編號：1419637