本文選題：TDLAS　切入點(diǎn)：QEPAS　出處：《山東大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：為實(shí)現(xiàn)工業(yè)信息化與自動化的深入融合,需要對工業(yè)生產(chǎn)中的多個環(huán)節(jié)實(shí)施在線監(jiān)測,以確保生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)安全。對源頭性氣體、中間氣體以及廢氣的檢測是生產(chǎn)監(jiān)測的重要組成部分。在眾多氣體檢測技術(shù)中,基于紅外吸收光譜技術(shù)的氣體檢測系統(tǒng)、儀器受到廣泛關(guān)注。一方面,多數(shù)工業(yè)氣體具有紅外發(fā)射、吸收光譜特性；另一方面,半導(dǎo)體激光技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等實(shí)用性技術(shù)的逐步成熟為智能儀器的發(fā)展提供了便利。光纖質(zhì)輕、抗電磁干擾能力強(qiáng),因此基于光纖技術(shù)的紅外吸收光譜氣體檢測技術(shù)可被廣泛應(yīng)用于電子環(huán)境復(fù)雜、易燃易爆的特殊環(huán)境中。在紅外吸收光譜檢測技術(shù)的分支中,可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)因其多年的研究積淀應(yīng)用最為廣泛,光聲光譜(PAS)技術(shù)則由于無背景檢測的特點(diǎn)在痕量氣體檢測應(yīng)用中占據(jù)優(yōu)勢。基于以上技術(shù),致力于小型化甚至微型化儀器和專用型檢測設(shè)備或模塊的研究是我國紅外光譜檢測分析領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。對于應(yīng)用在生產(chǎn)環(huán)節(jié)的設(shè)備而言,高分辨率固然重要,但檢測準(zhǔn)確性和性能穩(wěn)定是系統(tǒng)在應(yīng)用中更為重要的兩個方面。我們需要從信號的產(chǎn)生、噪聲起因、波形變化等方面去廣泛而深入的分析能夠影響到實(shí)際檢測信號的各種因素,找到問題才能有針對性的解決問題,優(yōu)化系統(tǒng)性能。因此,對系統(tǒng)信號的分析研究是系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵工作。本文主要以水蒸氣紅外吸收光譜檢測系統(tǒng)為例,針對非電子噪聲來源、信號畸變(剩余幅度調(diào)制影響、激光器非線性效應(yīng)影響)、信號提升以及稀釋氣體影響等方面進(jìn)行分析研究。文章的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：1.闡述分子紅外吸收的產(chǎn)生機(jī)理,給出氣體紅外吸收檢測技術(shù)的可行性理論依據(jù)。介紹吸收譜線強(qiáng)度和譜線線型函數(shù)等關(guān)鍵參數(shù),并分析了壓強(qiáng)和溫度對譜線強(qiáng)度、譜線半高全寬、線型函數(shù)以及單位濃度吸收率的影響。闡述光聲信號的產(chǎn)生機(jī)理,給出石英增強(qiáng)型光聲光譜檢測技術(shù)中光聲信號的理論推導(dǎo)。對洛倫茲吸收線型進(jìn)行傅里葉級數(shù)展開,給出諧波檢測技術(shù)的理論依據(jù),并分析剩余幅度調(diào)制的來源和相關(guān)參量。2.介紹可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)和石英增強(qiáng)型光聲光譜(QEPAS)技術(shù)的典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu),以及TDLAS系統(tǒng)三種信號解調(diào)方式：直接差分、諧波檢測和差分后再諧波檢測。闡述波長調(diào)制和鎖相檢測技術(shù)原理。3.分析了TDLAS系統(tǒng)的非電子噪聲來源。具體包括：光纖宏彎(抖動)、環(huán)境溫度變化引起光器件工作狀態(tài)改變帶來的功率波動噪聲；本底吸收影響,即大氣高組分氣體殘留在器件內(nèi)部引起的非氣室內(nèi)待測氣體的吸收；光路中多個光學(xué)平面之間的標(biāo)準(zhǔn)具干涉噪聲干擾。4.詳細(xì)研究了波長調(diào)制下激光器輸出光頻(波長)和功率之間的相位差對二次諧波信號的影響,并利用氣體吸收峰對該相位差進(jìn)行了測量。上述相位差根據(jù)驅(qū)動電流的作用分為調(diào)制相位差和掃描相位差。研究了調(diào)制相位差分別對單相鎖相檢測系統(tǒng)和雙相鎖相檢測系統(tǒng)所得到的二次諧波信號的影響,并且針對單相鎖相的影響提出相位補(bǔ)償?shù)霓k法。還研究了掃描相位差對諧波信號的影響。提出了一種基于時間差測量相位差的方法,利用氣體吸收峰對50Hz-50kHz驅(qū)動頻率下正弦和三角波驅(qū)動激光器產(chǎn)生的相位差進(jìn)行測量,并進(jìn)行相關(guān)分析。5.深入研究了激光器功率非線性對低濃度檢測時諧波信號的影響。理論分析并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了激光器非線性效應(yīng)對一次和二次諧波的影響與驅(qū)動激光器的掃描電流有關(guān)。分析了激光器非線性效應(yīng)對低濃度下一次諧波檢測和二次諧波檢測信號的影響,以二次諧波檢測為例,該非線性效應(yīng)帶來的信號畸變量約與5ppm(利用5m氣室進(jìn)行檢測)水蒸氣產(chǎn)生的吸收信號的幅值相當(dāng),因而在痕量檢測應(yīng)用中非線性的影響不能忽視。針對激光器非線性輸出對痕量氣體檢測造成的影響,提出利用雙光路結(jié)構(gòu)進(jìn)行抑制。6.針對QEPAS系統(tǒng)光聲信號的提升展開研究。研究包括：聲波共振管的最佳放置位置和各點(diǎn)的共振放大倍數(shù)；同等物理結(jié)構(gòu)下對比石英材料和不銹鋼材料共振結(jié)構(gòu)的共振效果；利用直角棱鏡反射光束與入射光束光軸錯離的特點(diǎn),提出了一種基于直角棱鏡搭建的雙程QEPAS氣體檢測系統(tǒng),利用棱鏡將單路透射光束反射,使反射光束二次激發(fā)光聲信號,并進(jìn)行聲波共振放大,在提升光聲信號的同時改變了音叉在系統(tǒng)中的響應(yīng)特性,使系統(tǒng)信號放大倍數(shù)由16增加至22.4倍,且噪聲幅度由單程結(jié)構(gòu)的14.3μV降至11.6μV,改善系統(tǒng)信噪比。7.研究了改變稀釋氣體(背景氣體)對檢測系統(tǒng)信號的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)同一濃度(體積比)甲烷氣體在分別以氮?dú)�、氧氣和乙烷作為稀釋氣體的檢測系統(tǒng)中產(chǎn)生的吸收信號各不相同,根據(jù)吸收信號產(chǎn)生的機(jī)理分析認(rèn)為改變稀釋氣體導(dǎo)致待測氣體譜線線寬發(fā)生變化,進(jìn)而影響檢測到的吸收峰峰值和二次諧波信號幅值。利用統(tǒng)計力學(xué)的碰撞理論對譜線線寬因稀釋氣體的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象進(jìn)行分析解釋。
[Abstract]:......
【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】：2016
【分類號】：O657.33;TN911.6

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1558253