基于积分球气室的光学气体检测系统设计与实现

摘要

近年来，随着人们对自身生活环境的重视，以及大气污染问题层出不穷，如何有效减小有毒、有害气体对人类健康的危害，已经成为当前亟待解决的重要问题，为此，需要对环境中的污染气体进行有效的监测。光谱学气体检测方法由于具有非接触式检测和响应速度快等特点，成为有害气体检测的重要手段，并得到了快速的发展。本课题研究的内容是构建一套基于吸收光谱技术的气体检测平台，并使用二氧化氮气体对系统性能进行了测试。
　　首先，本文介绍了光谱吸收气体定量分析的理论基础——Lambert-Beer定律，并讨论了该定律的适用范围。在此基础之上，考虑到实际运用过程中存在的瑞利散射和米氏散射等环境因素的影响，对 Lambert-Beer定律进行了适当的修正，使得修正后的结果更加适合实际情况。
　　在此基础之上，作者重点研究了系统的气室传感单元。由 Lambert-Beer定律可知，增加气室传感长度能有效增加系统的检测极限，所以如何设计性能优良的气室成为整个系统的关键技术之一。在对比分析传统气室优缺点的基础之上，提出使用积分球作为系统的吸收气室。光源进入积分球后，在高反射率涂层的作用下，光线在球壁内进行多次来回反射，从而达到增大光程的作用。由于光线在积分球内的传播是随机的，其传感长度的计算不能简单套用传统气室光程的计算方法，因此本文构建了积分球气室光程计算的数学模型，并推导了其等效光程，在讨论开口比以及涂层反射率对等效光程影响的基础之上，完成对积分球气室的设计。
　　最后，设计并构建了基于吸收光谱技术的气体检测实验平台，使用该平台对二氧化氮气体的吸收响应进行了探测，对吸收度和吸收截面进行多项式拟合，得到差分吸收度和差分吸收截面，并通过 DOAS光谱吸收技术对实验中配置的二氧化氮浓度进行反演，给出了浓度反演结果和反演误差，实验结果表明本文提出的系统具有较高的稳定性和准确率。

目录

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目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外气体检测研究现状

1.3 论文的主要内容和结构

2 气体浓度检测的基本原理

2.1 气体分子的能级结构以及吸收光谱

2.2 光谱吸收定律

2.3 差分光学吸收光谱算法

2.4 本章小结

3 长光程气体吸收池

3.1 气体吸收池设计要求

3.2 传统长光程气体吸收池结构

3.3 积分球气室理论模型

3.4 积分球的检测灵敏度和极限

3.5 本章小结

4 气体检测系统平台设计

4.1 气体检测系统描述

4.2 光源的选择

4.3 气体吸收池的设计

4.4 光谱探测器的选择

4.5 本章小结

5 实验结果及分析

5.1 实验装置描述

5.2 实验数据分析

5.3 测量误差分析与结论

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参加的项目

C. 论文中的数据及程序清单