基于可调谐半导体激光吸收光谱测量NO浓度的研究

摘要

可调谐半导体激光吸收光谱技术是利用半导体激光器高单色性和窄线宽的特点，通过调谐电流和温度，对被测气体的特征吸收谱线进行扫描，得到被测气体浓度信息。主要被应用于大气环境下的温室气体和工业领域里的痕量气体检测。船用柴油机主要排放物主要以NO为主，虽然低浓度的NO气体对人体没有明显危害，但它易被氧化成有强烈毒性的NO2气体，对环境和人体健康都会造成严重损害，所以研发一种用于船用内燃机排放气体实时监测的装置具有十分重要的意义。
　　本文研究了一种基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术测量NO气体浓度的方法，并设想将它运用到船用内燃机排放气体的实时监测中。文中通过对TDLAS技术基本原理的进行理论分析，并对吸收系数的影响因素进行了详细讨论，设计搭建了以NO为目标气体的气体浓度测量系统。
　　本文就该基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术测量NO气体浓度的实现进行了理论分析和实验研究，主要工作分为以下几个方面：
　　首先，详细介绍TDLAS的基本理论。包括气体分子选择吸收理论的内容，Lambert-beer定律，以及吸收系数、吸收谱线强度、分子内部配分函数以及吸收谱线的线型展宽的理论内容，为后期的研究奠定理论基础。
　　其次，详细分析了数学模型中各参量对吸收系数的影响，从而确定利用可调谐半导体激光吸收光谱技术对柴油机排气口NO浓度进行在线检测时，其温度和压强对测试结果的影响，必要时引入修正，以时实现系统达到最好实时监测效果。另外，在这一章中还利用福依特线型计算出了温度和压强，可运用到实际测量中，不需要再对系统进行温度和压强的监测。
　　最后，搭建了一套实用性的TDLAS测试系实验系统。系统中，利用HIRAN分子光谱数据库，确定了工作波长合适的NO吸收谱线，并以NO为待测气体分别进行了直接吸收测量和谐波探测测量，并对实验结果进行了讨论，确定该试验系统的可行性和应用价值。

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第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 常用的气体检测方法

1.3 国内外研究现状

1.4 本论文研究内容

第二章 基于TDLAS测量NO浓度的基本理论

2.1 引言

2.2 气体分子选择吸收理论

2.3 朗伯-比尔定律

2.4 气体吸收谱线的强度

2.5 吸收谱线的线型与展宽

2.6 本章小结

第三章 温度及压强对吸收系数的影响分析

3.1 引言

3.2 温度对气体分子数密度的影响

3.3 温度对线强的影响

3.4 温度及压强对线型的影响

3.5 温度和压强对气体吸收系数的影响

3.6 利用voigt线型反演气体的温度和压强

3.5 本章小结

第四章 NO气体测量的实验结果

4.1 引言

4.2 NO谱线的选择

4.3 系统整体设计方案

4.4 TDLAS测量气体浓度的实验结果

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢