基于激光光谱吸收技术的气体浓度检测系统的研究

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1、清华大学2012届毕业论文目录1.绪论11.1课题研究背景11.2调谐二极管激光吸收光谱技术特点及应用21.3调谐二极管激光吸收光谱技术的研究现状及发展趋势21.4本文研究的主要内容42.调谐激光吸收光谱技术的理论基础52.1吸收光谱学理论52.2谱线强度52.3吸收线性62.4本章小结83.调谐二极管激光吸收光谱技术系统93.1调谐二极管激光吸收光谱技术系统概述93.2各部分主要器件93.2.1光源93.2.2激光驱动器113.2.3光电检测器113.3数据预处理过程123.4本章小结124.吸收光谱系统优化的研究134.

2、1谐波次数的选择134.2相敏检测的参数优化134.2.1锁相放大器的带宽134.2.2锁相放大器的相位对谐波信号的影响144.3激光器调制参数的优化144.3.1调制度对谐波信号的影响144.3.2调制频率对谐波信号的影响154.3.3扫描信号幅度对谐波信号的影响164.3.4扫描信号频率对谐波信号的影响164.4本章小结165.气体浓度反演的方法研究185.1系统噪声来源185.1.1探测器噪声185.2.2激光额外噪声185.1.3剩余幅度调制195.1.4光学干涉条纹195.2背景噪声对系统的影响195.3气体浓度反

3、演的方法研究205.3.1直接比例反演法用于浓度反演20第II页共II页清华大学2012届毕业论文5.3.2最小二乘法用于浓度反演205.3.3线性拟合法用于浓度反演215.4本章小结226.总结与展望236.1全文总结236.2工作展望24参考文献25致谢29第II页共II页清华大学2012届毕业论文1绪论1.1课题研究背景环境是人类赖以生存的基础。随着世界经济的发展，环境污染日趋严重，不仅造成了巨大的经济损失，而且逐渐危害着人类的生存环境，因此环境保护已成为很多国家的研究课题之一。全球气候变化、温室效应、光化学烟雾的形成

4、、酸雨、平流层中臭氧层的破坏等等，这一切都在影响着人类的生存环境，它们的形成都与大气中痕量气体的浓度有关。例如：煤炭、石油天然气的过量燃烧造成空气中C02浓度上升，引起地球表面变热造成海平面上升、气候反常、土地干旱等，同时也对人体机能造成影响，引起头疼、乏力、呕吐、呼吸困难等中毒症状；又如，由于石油化工生产、污水／垃圾处理厂、汽油发动机废气、冶金工业等的生产加工过程及各种化工原料加工和使用过程以及木材、烟草等有机物不完全燃烧过程而产生的挥发性有机物由于其具有毒性、刺激性、致癌作用会导致人体呈现种种不适[1、2]。大气中的痕量

5、污染气体主要包括：CO2、CH4、N2O、NH3、SO2、C2H2、C2H4、C2H6等等，它们的浓度主要在ppt-ppm量级范围内[3、4]。精确测量这些痕量气体成分对大气污染监测及治理非常重要。大气痕量气体监测技术主要分为化学法和光谱法。传统的空气污染监测方法是以湿式化学技术和吸气取样后的实验分析为基础的，但由于其响应慢、预处理过程复杂，无法满足大气污染气体的实时、在线、遥感监测的需要。而逐渐发展起来的光谱学在这些方面有明显的优势，主要表现在：易于实现完全非接触在线自动监测、仪器的灵敏度高、测量范围广、可反映一个区域的平

6、均污染程度、系统易于维护等等。光谱法是利用光和大气污染分子相互作用特性来进行监测的。近年来在环境污染监测中几种很有应用前景的光学和光谱技术有[5、6]：紫外到可见波段的差分吸收光谱学技术、多种污染物监测的红外波段傅里叶变换红外光谱技术、可调谐二极管激光吸收光谱学技术、差分吸收激光雷达技术、激光诱导荧光技术等。在这些技术中，调谐二极管激光吸收光谱技术凭借其高灵敏度、响应时间快，可实时在线监测的特点而越来越广泛的应用于大气污染痕量气体的监测。第4页共29页清华大学2012届毕业论文本课题旨在通过对调谐激光光谱技术用于环境气体检测

7、的实验研究，对气体在线检测系统进行模拟，以生产出具有自主知识产权的大气痕量气体检测仪。1.2调谐二极管激光吸收光谱技术特点及应用上世纪60年代，出现了通过注入电流来调制半导体激光二极管的技术[7]，70年代，Hinkley和Reid等人提出了可调谐二极管激光吸收光谱技术[8、9]。此后，可调谐激光二极管吸收光谱学越来越受到人们的重视，并逐渐应用到痕量气体监测上。随着光通讯和光电子技术的发展，二极管激光器也迅速商品化，特别是近红外二极管激光器具有体积小、寿命长和光电转换效率高等特点，成为了环境痕量分子监测的理想光源。调谐二极管

8、激光吸收光谱技术的原理是利用分子单一分立吸收线的吸收光谱来获取气体的各种属性(如：浓度、温度等)。当光通过某种介质时，光电磁波会与介质的分子、原子相互作用使得光被吸收和散射而产生衰减，由于气体分子对光的散射很微弱，远小于被测量气体分子的吸收光能，故可以忽略。根据测定气体吸收特定波长光的程度