光声光谱技术检测微量气体浓度研究

摘要

微量气体检测在大气质量监测、工业生产过程控制、临床医学诊断等方面具有十分重要意义。光声光谱气体检测技术通过检测光声效应产生的声波幅值来检测气体浓度，具有检测灵敏度高、动态范围大、可实时在线测量等特点，在微量气体在线检测中有着广阔的应用前景。 本文基于光声光谱开展微量气体检测研究，针对微量气体检测的需求，采用激光器波长调制及二次谐波检测方法，搭建了光声光谱气体检测实验系统，并对乙炔(C2H2)气体浓度进行了检测。本论文具体研究工作及成果如下： 第一，研究了一阶共振光声池的原理，建立了一阶纵向共振光声池的传输线等效模型，并完成仿真分析。基于仿真结果，确定了光声池机械结构和几何尺寸，完成了光声池的设计与制作。 第二，为快速、准确获得纵向共振光声池的谐振频率，本论文提出了一种基于共振声谱的光声池共振频率测量方法，搭建了共振声谱谐振频率测量实验系统，通过实验测量得到了共振光声池的谐振频率，并将实验测量结果与传统光声信号强度标定法对比，验证了该方法的有效性。 第三，搭建了光声光谱检测实验系统，针对光声信号微弱、易受噪声干扰等问题，本论文设计并实现了微弱光声信号检测的前置放大电路和数字锁相放大器。 第四，基于搭建好的光声光谱检测系统，对C2H2气体进行检测。首先，选取其在1531.59nm处的吸收谱线为目标吸收谱，通过实验确定了目标吸收峰的具体位置、最佳调制参数。然后，研究了光声信号强度与C2H2气体浓度、DFB激光器输出光功率的关系，并通过对配置好的5种已知浓度的C2H2气体进行检测，完成C2H2气体浓度标定，为实际测量提供测量基准，并通过对25ppm的C2H2气体1小时的连续测量，得到了系统测量结果的标准差为4.1×10-7，同时验证了该系统具有较好的稳定性。最后对5ppm的C2H2气体进行测量，得到系统检测极限灵敏度为1.34ppm。

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第一章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 气体浓度检测技术发展概述

1.3 光声光谱技术国内外研究现状

1.3.1 光声光谱技术国外研究现状

1.3.2 光声光谱技术国内研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第二章 光声光谱检测原理

2.1 气体分子吸收光谱理论

2.1.1 光选择性吸收理论

2.1.2 Beer-Lambert定律

2.1.3 红外吸收光谱

2.2 光声效应基本原理

2.2.1 热的产生

2.2.2 声的激发

2.3 光声信号检测原理

2.3.1 振幅调制与光声信号检测

2.3.2 波长调制与光声信号检测

2.4 本章小结

第三章 光声池的设计与性能评估

3.1 一阶共振光声池原理

3.2 纵向共振光声池建模与分析

3.2.1 光声信号一维传输线模型

3.2.2 光声池参数分析与设定

3.3 光声池结构设计与制作

3.3.1 光声池设计原则与整体结构

3.3.2 光声池的降噪处理

3.4 光声池性能测试与评估

3.4.1 共振声谱法测量原理

3.4.2 光声池参数实验测量与标定

3.5 本章小结

第四章 光声光谱气体检测系统搭建与信号处理

4.1 光声光谱检测系统

4.1.1 光源

4.1.2 微型光纤准直器

4.1.3 微音器

4.1.4 配气系统

4.1.5 激光器控制及数据采集系统

4.2 前置放大电路

4.2.1 前置放大电路设计

4.2.2 电路性能测试

4.3 锁相放大器与光声信号解调

4.3.1 锁相放大器的检测原理

4.3.2 锁相放大器SimuLink仿真

4.3.3 数字锁相放大器设计

4.4 本章小结

第五章 C2H2气体浓度光声光谱检测实验与分析

5.1 C2H2吸收谱线选择

5.2 DFB激光器特性实验

5.3 C2H2吸收峰确定实验

5.4 最佳调制参数确定实验

5.4.1 最佳调制频率

5.4.2 最佳调制深度

5.5 C2H2气体的光声光谱检测特性

5.5.1 光声信号与C2H2气体浓度的关系

5.5.2 光声信号与激光器功率的关系

5.6 系统准确度及稳定性

5.7 系统噪声及检测灵敏度

5.8 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间的科研成果