光在高漫反射立方腔的传输规律及低浓度氧的测量

摘要

实现气体的低浓度高灵敏探测在环保、医疗、工业生产等方面意义重大。可调谐二极管吸收光谱（TDLAS）技术以高灵敏度、高分辨率、快速响应等优点成为光谱探测领域的主流技术。为进一步降低TDLAS系统的最低检测限和提高系统灵敏度可以采用吸收光程更长的气体池。本文主要开展高漫反射立方腔内光传输规律的研究，并将其作为TDLAS系统的气体池实现氧气的低浓度高灵敏度测量。
　　搭建了高漫反射立方腔作为气体池的TDLAS系统。制备了不同规格的内壁喷涂Avian-D有机涂料的密封式高漫反射立方腔。通过测定空气中不同吸收光程下氧气的二次谐波信号对等效光程进行定标，定标结果显示立方腔可达到17倍的光程延长效果。
　　开展了高漫反射立方腔内光传输规律的研究。基于Beer-Lambert定律推导弱吸收情况下光在立方腔内的传输规律。确定立方腔的等效光程，通过等效光程拟合实验测定立方腔开孔比。研究气体浓度和等效光程对光在立方腔内传输特性的影响，发现光在腔内传输规律符合Beer-Lambert定律的条件是气体吸光度小于0.011。
　　开展了氧气的低浓度高灵敏度测量研究。实现与虚拟仪器平台结合的高漫反射立方腔作为气体池的TDLAS系统。通过优化激光器调制参数、调谐参数和锁相放大器参数，提高TDLAS系统性能。采用35 cm高漫反射立方腔作为TDLAS系统的气体池，获得了350 ppm的氧气探测限，系统波动为0.9％。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 气体检测方法的国内外研究现状

1.2.1 非光学检测法

1.2.2 光学检测法

1.3 改善TDLAS系统性能的措施

1.3.1 波长调制技术抑制系统噪声

1.3.2 延长吸收光程增强信号强度

1.4 本文的主要研究内容

第2章 高漫反射立方腔作气体池的TDLAS系统

2.1 引言

2.2 高漫反射立方腔的制作

2.2.1 密封式有机玻璃高漫反射立方腔的制作

2.2.2 密封式不锈钢高漫反射立方腔的制作

2.3 立方腔作气体池的TDLAS测量装置及原理

2.3.1 TDLAS系统实验装置

2.3.2 激光发射谱与氧气吸收谱测量与分析

2.3.3 光学参量的确定

2.3.4 等效光程的定标实验

2.4 本章小结

第3章 高漫反射立方腔内光传输规律的研究

3.1 引言

3.2 高漫反射立方腔光传输规律的理论研究

3.2.1 Beer-Lambert定律

3.2.2 高漫反射腔内光传输规律的理论推导

3.2.3 等效光程公式拟合实验测定腔的开孔比

3.3 浓度和等效光程对高漫反射腔内光传输特性的影响

3.3.1 弱吸收条件下腔内光传输特性

3.3.2 非弱吸收条件下腔内光传输特性

3.4 本章小结

第4章 氧气的低浓度高灵敏测量研究

4.1 引言

4.2 虚拟仪器平台实现的TDLAS系统介绍

4.2.1 虚拟仪器LabVIEW平台简介

4.2.2 LabVIEW实现TDLAS系统信号检测

4.3 高漫反射立方腔 TDLAS系统的性能优化

4.3.1 TDLAS系统谐波次数的选择

4.3.2 调制参数优化

4.3.3 调谐参数优化

4.3.3 锁相放大器部分参数的优化

4.4 边长35 cm的立方腔做气体池的低浓度高灵敏测氧

4.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢