基于QEPAS的CO2气体浓度检测及H2O对其影响的研究

摘要

二氧化碳（CO2）气体是引发温室效应最主要的因素，为了减缓温室效应，研究CO2气体浓度检测对于监测环境质量、治理工业废气排放、预防人类疾病等方面都具有重要的意义。石英音叉增强型光声光谱（QEPAS）技术是一种新型基于光谱法的气体检测技术，因具有气体选择性好、响应时间快、测量灵敏度高的优势，已成为气体检测领域重要的手段。
　　本研究基于气体红外吸收光谱理论、激光器波长调制技术、谐波检测技术和石英音叉特性阐述了QEPAS技术的测量原理；利用QEPAS技术检测光声信号，通过系统反演获得待测CO2气体的浓度。湿度作为影响QEPAS系统检测的重要因素，基于气体分子的结构和电极性建立了CO2-N2-H2O气体混合物的D-L碰撞能量转移模型，通过讨论混合物中能量转移和分子弛豫过程确定了 H2O浓度与光声信号幅值的关系式，并分析了H2O对气体分子弛豫速率和光声信号的影响。实验搭建基于QEPAS的CO2气体浓度检测系统；根据HITRAN分子光谱数据库中CO2气体的吸收特性，选择近红外1580.0395nm作为待测吸收谱线；选用DFB激光器作为光源，通过激光器驱动器实现激光器的波长调制；建立准直聚焦通路提高激光利用率；通过互阻抗前置放大器和锁相放大器实现信号的解调和滤波；通过电子控制中心CEU实现调制信号的控制和参数的测量；基于LabVIEW程序编写，实现数据的处理和信号的采集。选用DFB激光器的输出波长为1580.35nm，通过温度和电流调谐测试确定了DFB激光器的工作温度和扫描电流；通过调整光路使激光器的输出功率达到最大值；确定最佳 H2O含量、最佳检测压强和最佳调制深度，从而优化了系统的性能；基于QEPAS技术，对不同浓度CO2气体进行测量，通过反演计算得到待测CO2气体的浓度值。为了分析H2O对光声信号幅值和系统信噪比的影响，实验选取相同浓度的待测CO2气体进行最佳H2O含量和无H2O系统检测；通过对比最佳H2O含量的系统和无H2O系统的检测结果，得出H2O可以提高光声信号幅值和系统信噪比的结论；在 H2O含量为0.8%的气体样品中，通过检测CO2气体估算系统的检测下限为496ppm。

目录

1绪论

1.1研究目的及意义

1.2常见的气体检测技术

1.3本研究的发展与研究现状

1.4本文的主要研究内容

2 QEPAS技术基础与原理

2.1气体分子红外吸收光谱理论

2.2波长调制与谐波检测技术

2.3 QEPAS技术

2.4本章小结

3 H2O影响QEPAS检测CO2系统理论分析

3.1概述QEPAS系统的影响因素

3.2气体分子碰撞能量转移理论

3.3 H2O对QEPAS检测CO2系统的影响

3.4本章小结

4基于QEPAS的CO2气体检测系统

4.1检测系统整体设计

4.2 CO2吸收谱线的选择

4.3实验装置

4.4软件程序设计

4.5本章小结

5实验检测结果与数据分析

5.1实验仪器测试

5.2有H2O系统的CO2气体检测

5.3有H2O与无H2O检测结果对比

5.4有H2O系统的检测下限估算

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢