采用可调谐激光吸收光谱技术遥测甲烷气体农度的研究

摘要

随着我国能源形势及大气污染现状的日益严峻，气体污染物排放检测技术的发展受到瞩目。可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable diode laser absorptionspectroscopy，简粕TDLAS)因其精度高、响应迅速等优点，成为目前发展最为迅速的一种气体检测方法。早先对TDLAS的研究主要着重于在实验室内的气体吸收池里对气体的浓度，温度，流速等参数进行研究，但随着技术的发展，研究方向逐渐向在开放光程下进行气体监测的方面发展。本论文设计并开发了遥测望远镜收发系统，这套设备将探测器和激光器集成为一套设备，不仅节约了空间和成本，还便于携带与使用。能较好的实现气体的在线监测。
　　 本文详细阐述了TDLAS的测量原理，对涉及到的分子吸收光谱学原理进行了深入的分析。对实验台的搭建以及涉及到的实验设备及其原理进行了说明。
　　 本文首先在实验室情况下，采用常规测量的方法，分别用直接测量法和波长调制法，对九种不同浓度的CH4气体进行探测，并对实验数据进行分析，从而对比了直接测量方法和波长调制方法的特征和优缺点。
　　 本文在以上实验的基础上，采用遥测望远镜收发系统，分两个步骤，逐渐实现对CH4的在线监测。第一部分是校准光路部分。用于测试遥测望远镜收发系统的性能，并检测实验系统的稳定性和准确度。第二部分是在线监测部分。通过在空气中喷洒一定量的甲烷气体，记录下300S内，二次谐波信号的峰值随甲烷流量变化而变化的趋势。
　　 本文在应用可调谐激光吸收光谱技术的基础上，设计遥测望远镜收发系统，搭建试验台，完成了对甲烷气体的远距离开放光程下的遥测，实验验证了系统的稳定性与精确度，对探测结果与标准结果进行对比，发现二者吻合度高，线性拟合系数大于0.99。在此基础上，在线监测了300秒内甲烷浓度的变化情况，并提出了下一步实验计划。本文所提出的基于可调谐激光吸收光谱技术的遥测方法，结果准确，具有较高的实用价值和推广前景。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章 绪论

1.1 本课题的意义

1.2 可调谐二极管激光吸收光谱技术的研究现状

1.2.1 可调谐二极管激光吸收光谱技术测量的优势

1.2.2 可调谐二极管激光吸收光谱技术探测气体浓度、温度、速度的研究现状

1.2.3 光谱气体检测的遥测技术研究现状

第二章 可调谐激光吸收光谱技术测量原理

2.1 测量背景简介

2.1.1 吸收光谱学原理

2.1.2 激光的特性

2.1.3 Beer-Lambert定律

2.1.4 直接吸收测量法

2.1.5 波长调制技术

2.2 实验系统介绍

2.2.1 激光器

2.2.2 探测器

2.2.3 激光控制器

2.2.4 数据采集系统

2.2.5 信号发生器

2.2.6 锁相放大器

2.3 系统噪音

2.3.1 信噪比

2.3.2 测量灵敏度

第三章 CH4 气体浓度常规测量

3.1 实验背景介绍

3.2 甲烷测量的谱线选择

3.3 甲烷激光器的标定

3.4 利用直接吸收法测量CH4浓度

3.4.1 系统装置

3.4.3 直接吸收数据处理方法

3.4.4 测量结果及分析

3.5 利用波长调制法测量CH4浓度

3.5.1 系统装置

3.5.2 实验结果及分析

3.6 本章小结

第四章 应用遥测望远镜收发系统探测CH4浓度的研究

4.1 遥测背景介绍

4.2 遥测系统测量原理

4.3 利用遥测系统在线监测甲烷气体浓度

4.3.1 校准光路实验

4.3.2 在线遥测实验

4.4 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 本文主要创新点

5.3 本文的不足之处以及对下一步研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文