基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统研究

基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统研究本论文课题来源于中国国家自然科学基金项目“新型红外瓦斯和一氧化碳检测仪的研究”、美国xx部项目“xxx”。研究了基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统,采用了可调谐二极管激光吸收光谱技术和腔增强吸收光谱技术研制了四套气体检测系统,检测了甲烷、乙炔、水汽、甲醛等气体。详细介绍了各检测系统的结构和原理,测试了系统的灵敏度、响应时间和稳定性等参数。第一章引言部分介绍了甲烷、乙炔、甲醛等气体的应用和危害,监测这些气体的浓度对于安全生产和环境保护具有重要的意义。

介绍比较了几种常见的气体检测方法:电化学法,催化燃烧法,气相色谱法和红外吸收光谱法。如红外吸收光谱法的优缺点:灵敏度高、响应速度快、寿命长、可以非接触式测量等,可以广泛应用于工农业生产、环境监测、医学诊疗和军事等领域。介绍了红外气体检测技术的种类、国内外发展现状和趋势。包括直接吸收光谱技术、光声光谱技术、腔衰荡光谱技术、腔增强吸收光谱技术和波长调制光谱技术等。

第二章是红外激光吸收光谱技术的理论部分:分子光谱理论和朗伯-比尔定律。气体分子红外吸收光谱产生的原因是分子内部振动能级和转动能级的跃迁,不同种类的气体分子具有不同的吸收谱线位置和强度,气体分子的光谱特征确保了红外气体检测技术的选择性。根据朗伯-比尔定律,待测气体分子对特定波长光强的吸收量与气体浓度有关。第三章主要介绍了基于近红外分布反馈半导体激光器(DFB激光器)和可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的乙炔检测系统,详细介绍了系统结构及检测性能。

设计的电路部分包括高精度、高稳定性的DFB激光器驱动器,数字正交锁相放大器以及光电探测电路。驱动器的温控模块采用积分分离式数字比例积分微分算法,温控过程快速平稳,长期工作波动为±0.01oC,长期稳定性高;设计的数字正交锁相放大器以数字处理器芯片为核心,硬件电路简单、体积小、便于集成。比较了减法预处理电路和除法预处理电路两种信号处理方式,通过实验发现,采用除法预处理电路时,系统具有较低的检测下限。当积分时间为1 s时,阿伦方差为15.8 ppm~2,系统的检测下限为3.97 ppm;积分时间增加到68s时检测下限进一步降低为540 ppb。

第四章介绍了基于近红外DFB激光器和空芯带隙光子晶体光纤的甲烷检测系统,空芯带隙光子晶体光纤拥有很多特性,它内部的空芯不仅可以传导光,而且可以充满气体作为气室,这样大大简化了检测系统结构。根据阿伦方差分析,当积分时间为10 s时,该系统的检测下限可达1.4 ppm。第五章介绍了基于DFB激光器和腔增强吸收光谱技术的水汽检测系统。系统采用了设计的腔长为20 cm的谐振腔,有效光程达到了50 m。

系统通过调制激光器温度来实现波长扫描,采用电光调制器调制激光频率,通过PDH技术锁定激光器频率;采用重复间断PDH(Pound-Drever-Hall)锁定技术,在一个波长扫描范围内激光与谐振腔进行多次锁定,通过测量腔透射光强的变化可以得出气体吸收谱线。第六章介绍了基于中红外带间级联激光器和腔增强吸收光谱技术的甲醛检测系统。该系统与水汽检测系统不同的是采用了射频电调制技术调制激光相位,简化了系统结构,节省了系统成本。系统采用连续PID锁定技术将带间级联激光器锁定至腔长为2 cm的微型谐振腔,通过探测透射光光强实现了对甲醛气体的检测。

腔增强吸收光谱技术可以通过小体积的谐振腔实现长达数千米的有效吸收路径,在痕量气体检测方面有广阔的应用前景。本文的创新点如下:1.基于分布反馈(DFB)激光器和可调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术的乙炔检测系统中电路部分为自主设计研发,实现了对激光器温度的稳定控制、对激光器工作电流的调谐以及光电信号的检测和处理,可以方便地进行集成。系统采用除法电路消除了剩余幅度调制的影响,提高了检测灵敏度。系统中采用的光纤传感探头结构简单稳定,使该系统有进行远程、分布式气体检测的潜力。

2.基于空芯带隙光子晶体光纤的红外检测系统无需气体反应池,可以组成全光纤式传感光路,可以以很小的体积得到很长的有效吸收路径,这在不增加系统复杂性的前提下提高了灵敏度。

3.在基于DFB激光器和腔增强吸收光谱技术的水汽检测系统中,采用了PDH(Pound-Drever-Hall)间断锁定技术,与连续锁定技术相比,该技术波长扫描范围不受谐振腔长的限制,可以获得更大波长扫描范围内的气体吸收谱。

4.在基于带间级联激光器(ICL)和腔增强吸收光谱技术的甲醛检测系统中,采用了射频电调制PDH锁定技术,实现了ICL激光器与谐振腔的锁定。与传统的光调制PDH锁定技术相比省去了昂贵的电光调制器,系统结构更加简单,

成本低廉,且体积小便于集成。

系统中采用了设计的腔长为2 cm的小型谐振腔,有效吸收光程达到了20 m,系统检测下限达到了ppb级别。