基于碳纳米管薄膜修饰微悬臂梁的红外光热光谱探测系统研究

摘要

种类不断增加的各种物质(包括气体、粉尘和颗粒等)不仅与空气质量和工农业生产密切相关而且对人们身体健康以及生命财产安全具有重要影响。结合完备的法律体系，采用探测灵敏度高、探测种类多、检测速度快的痕量物质检测设备对可疑物质进行全面、深入地检测是改善空气质量、减少生产安全事故以及预防恐怖爆炸活动的重要途径。激光红外光谱检测技术可以对气态、固态和液态等形态的物质进行检测，具有检测精度高、灵敏度高、不依赖于待测物数量和质量并能够用于大宗物质检测等优点，已成为物质探测技术研究重点和发展的新方向。
　　在分析痕量物质激光红外光谱探测技术的基础上，本论文提出了基于碳纳米管薄膜修饰微悬臂梁的红外光热光谱探测系统；完成了系统的基本原理及可行性分析；建立了无序排列的碳纳米管薄膜热导率理论模型；建立了碳纳米管薄膜修饰微悬臂梁的光热响应物理模型，推导了光热光谱信号表达式；完成了碳纳米管薄膜修饰的微悬臂梁结构优化、制备和测试；对光纤珐珀非扫描式相关解调系统的解调光路和软硬件电路进行了设计优化，并制作了实验样机，完成了其性能测试；采用该实验样机进行了微悬臂梁的光热响应实验研究；最后以空气中水蒸气作为被测对象，进行了初步的物质光谱探测实验，验证了该系统用于物质探测的可行性。本文具体内容如下：
　　1)对构成微悬臂梁的关键材料——碳纳米管薄膜的热导率进行了理论分析，建立了无序排列的碳纳米管薄膜的热导率研究的理论模型，分析了薄膜热导率与碳纳米管固有热导率、长度、体积分数、接触热导以及薄膜密度之间的关系。
　　2)对碳纳米管薄膜修饰的微悬臂梁在光热激励下的光热响应特性进行了系统理论研究，建立了光热激励下微悬臂梁的热学稳态和动态物理模型，推导出了稳态和动态响应的计算公式；分析了在红外激光激励下微悬臂梁的热灵敏度，为后续的微悬臂梁结构设计和实验研究提供理论依据；进一步推导了光热光谱信号的表达式，为光热光谱物质检测提供了理论支持。
　　3)根据碳纳米管薄膜热导率的理论分析以及微悬臂梁光热响应特性分析结果，对碳纳米管薄膜的参数进行了优化；完成了碳纳米管薄膜的制备和特性测试；完成了硅基复合结构微悬臂梁的结构优化设计和制备；采用薄膜转移法将碳纳米管薄膜转移至该复合结构微悬臂梁上，完成了碳纳米管薄膜修饰微悬臂梁的制备。
　　4)完成了微悬臂梁振动信号解调系统——光纤珐珀传感器非扫描式相关解调系统的理论分析。分析了以卤钨灯作为照明光源所对应的解调结果，得到了输出光强与腔长的关系曲线。完成了光纤珐珀传感器解调系统的光学部分和硬件电路设计；完成了软件系统实现方案及相应程序编写，给出了软件实现流程；在此基础上制作了珐珀解调系统实验样机，并完成了腔长标定和稳定性测试。
　　5)使用光纤珐珀传感器解调系统实验样机，开展了微悬臂梁光热响应特性实验研究。测量了不同激光脉冲频率、占空比、激光功率以及激光照射位置所对应的微悬臂梁振动输出，验证了微悬臂梁光热响应理论模型的正确性，并由此确定了物质光谱探测实验的激光参数。
　　6)在验证系统各部分设计可行的基础上，以空气中的水蒸气作为被测对象，在近红外波段进行了初步的物质探测实验。实验表明，水蒸气含量为0.5％~2.5%时，光热光谱信号强度与水蒸气的含量具有较好的线性关系，其线性相关系数为0.9985；相同实验条件下，对水蒸气进行100次测试实验，测试结果显示光热光谱信号强度的偏差小于0.83%，表明系统具有较高的稳定性和可靠性。物质光热光谱探测初步实验验证了该系统在物质探测领域的可行性。

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中文摘要

英文摘要

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1 绪 论

1.1 课题背景

1.2 激光红外光谱技术研究现状

1.3本课题研究目的及意义

1.4论文的主要内容

1.5 小结

2 基于碳纳米管薄膜修饰微悬臂梁的光热光谱探测方法理论

2.1 基于碳纳米管薄膜修饰微悬臂梁的光热光谱探测系统

2.2 碳纳米管薄膜光热转换特性及热传导理论

2.3 碳纳米管薄膜热导率理论分析

2.4碳纳米管薄膜热导率的数值仿真

2.5碳纳米管薄膜修饰微悬臂梁的光热作用机理

2.6碳纳米管薄膜修饰微悬臂梁的稳态光热响应

2.7碳纳米管薄膜修饰微悬臂梁的动态光热响应

2.8 小结

3 微悬臂梁结构设计与制备

3.1 碳纳米管薄膜的制备和表征

3.2硅基复合结构微悬臂梁的制作

3.3 小结

4 微悬臂梁微振动信号光学解调系统设计

4.1 微悬臂梁微振动的光学测量方法

4.2解调系统的光学设计

4.3解调系统的硬件电路设计

4.4解调系统的软件设计

4.5光纤珐珀传感器解调系统性能测试

4.6小结

5 实验及结果分析

5.1微悬臂光热响应特性实验研究

5.2物质探测可行性探索

5.3小结

6 结 论

致谢

参考文献

附录