毕业论文（设计）-基于激光光谱吸收技术的气体浓度检测系统的研究.docx

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 32. 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 124. 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气体浓度反演的方法研究 205. 3. 1直接比例反演法用于浓度反演 205. 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 291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、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⑴幻大气中的痕量污染气体主要包括：C02> CH八N20> NH3> S02> CzH2, C孔、則6等等，它们的浓度主要在ppt-ppm量级范围内精确测量这 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、、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哄"：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 体的监测本课题旨在通过对调谐激光光谱技术用于环境气体检测的实验研究，对气体检 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卬，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从5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， 可求出气体相应的各种属性可调谐二极管激光器与长光程吸收技术相结合，在大气化学研究和污染气体监测中 得到了广泛的应用其技术特点是：⑴探测灵敏度高，一般可达至ljppm~ppt量级，能够 满足大气中痕量气体监测的要求；（2）由于分子光谱的“指纹”特性，它们的选择性很 强，利用二极管激光可调谐和高光谱分辨率的特点，可以对特定分子在特定光谱范围内 的光谱吸收进行测量进而反演得到气体的浓度；（3）探测范围广，响应时间快，非常适 合大范围现场实时监测高分辨率、高灵敏度、良好的选择性、实时、动态，这些特点 使得调谐二极管激光吸收光谱技术成为痕量气体快速、分析的有效方法之一1 ■ 3调谐二极管激光吸收光谱技术的研究现状及发展趋势随着可调谐半导体激光吸收光谱的广泛应用，越来越多的专家、学者投入到对系统 的深入研究，在系统检测理论方面做出突出的贡献［10' 11］o经过近30年的发展，调谐二极 管激光吸收光谱技术成功的应用于大气化学研究和污染气体监测中［12'13\±世纪80年代， 国外就开始有基于二极管光谱技术测量气体浓度的相关文献皿15：, 90年代则出现了大量 相关文章，报道了许多污染气体浓度的二极管激光光谱技术的测量方法曲。

当时，德国、 美国、日本、俄国、意大利和瑞典等国在激光光谱技术用于大气污染气体监测方面做了 大量研究工作，取得了重大突破例如：1995年，德国海德尔堡大学的P. Werle垂直 外腔面发射激光器在760nm处探测0?浓度购；1996美国的D. M. Sonnernfor提出了用二极 管激光器探测NO』农度「⑼；2000年，瑞典的U. Gustafsson等人利用二极管激光器和差频 等非线性光学技术同时监测CH八O2^H2O[20' 21\在环境保护重视程度和环境监测技术水平上，我国与国外发达国家还是存在一定的 差距，但经过20多年的发展，我国环境监测的技术水平和能力都有了较大的提高以中 国科学院安徽光学精密机械研究所为代表的一些科研院所，逐步展开了环境监测技术的 研究以及监测仪器的开发他1985年安光所采用分立调谐的CO?激光器成功研制监测大气 污染的第一个红外差分吸收激光雷达⑷；1993年有研制成功我国第一台差分吸收激光雷 达系统，并应用于工厂乙烯现场实时连续监测、空气中NO?气体浓度的监测；2000 年，安光所完成了 “紫外差分吸收光谱法烟道SO?监测技术及系统”的开发创；2002 年，安光所初步研制出基于二极管激光光谱的C0?的检测技术，并取得初步应用，但仪器 测量精度不高，体积庞大，价格昂贵，不适宜普及。

随后安光所应用调谐二极管激光吸 收光谱技术对机动车尾气C0和CO?展开遥测研究，并进行了相应的实测分析；还研制了可 调谐激光光谱甲烷监测仪販册，为工业中甲烷气体的浓度监测提供了一种新的检测方法 除了部分科研院所，一批新兴的优秀企业也在气体监测方面逐渐壮大起来杭州聚光科 技有限公司运用先进的技术，结合中国各行业的实际需求，开发了LGA系列激光气 体分析仪，在钢铁、石化、环保、航天等行业取得了良好的应用尽管调谐二极管激光吸收光谱技术在理论探索和各行业的应用上都取得了很大的 成功，但在巨大的社会需求方面仍未充分发挥其作用，仍然有许多问题需要解决除了 在理论方面继续探讨影响调谐二极管激光吸收光谱技术灵敏度、检测极限的调制参数 外，影响调谐二极管激光吸收光谱技术发展的一个主要因素是二极管激光器激光器的 调谐范围限制了调谐二极管激光吸收光谱技术可检测气体的种类目前的调谐二极管激 光吸收光谱技术系统多采用单模激光器，这种激光器单色性好，一般的调谐范围在 lnm-2nm, —种激光器只针对一种气体进行检测为了能实现多种气体同时监测， 许多学者、研究单位尝试同时使用多个激光器，并取得了初步的进展但多路激光器系 统的缺点是系统结构相对复杂、测量相应时间长。

还有些学者把眼光放在寻找新型的具 有宽调谐范围的激光光源1.4本文研究的主要内容我本文主要研究内容如下：第一章为绪论首先阐述了本文的研究背景和意义，并分析了大气监测领域的几种 方法；介绍了调谐二极管激光吸收光谱技术的发展历程和技术特点，对国内外调谐二极 管激光吸收光谱技术发展的现状和趋势进行了探讨；提出调谐二极管激光吸收光谱技术 关键参数的选择；最后概括出论文的主要工作及各章节主要内容第二章以气体吸收光谱学理论为基础，分析了不同吸收线型和气体参数的关系阐 述了这种谐波被吸收的原理，为后面吸收谱系统研究奠定了理论基础第三章在吸收光谱学理论的基础上，提出了可调谐激光二极管吸收光谱用于气体检 测的实验系统，根据调谐二极管激光吸收光谱技术对半导体激光器的要求选择了激光光 源并对其调谐性能进行测试，阐述了激光控制单元、长光程气体池、光电接收器的选择 及其性能分析根据本系统实验数据的特点设计了数据预处理流程第四章对吸收光谱系统的优化进行了研究对奇次谐波和偶次谐波的变化规律进行 分析；在一定的理论基础上分析了调制度、调制频率、扫描信号幅度、扫描信号频率对 谐波信号幅值、信噪比、峰型对称性及峰宽的具体影响，总结出各参数影响检测信号的 一般规律，并指出在明确系统功能及需求后如何选取参数优化系统，对此类系统的实际 应用具有较强的指导意义。

第五章讨论了调谐二极管激光吸收光谱技术系统中存在的几种噪声的来源以及相 应的削弱噪声的方法，并深入探讨了以背景信号方式存在的噪声对检测信号产生的影 响，以及如何通过扣除背景信号抑制剩余幅度调制和光学干涉条纹及其他一些干扰信号 的影响以提高系统的检测灵敏度给出了三种浓度反演的方法：通过比例关系直接反演 法、最小二乘拟合反演法和线性关系反演法，分析了三种方法的原理从而选择本系统浓 度反演的方法第六章为总结与展望对全文工作内容进行总结，并提出了下一步的研究方向2调谐激光吸收光谱技术的理论基础2. 1吸收光谱学理论调谐激光器吸收光谱技术的理论基础就是吸收光谱学理论一种气体的激光二极管 吸收光谱测量主要决定于气体分子的谱线中心波长、谱线强度和谱线线型函数要精确 测量气体的动态参数，我们必须清楚谱线位置、谱线强度和谱线线型函数等吸收特征跟 环境参数(温度、压强等)的关系所有的原子或分子均能吸收电磁波，且对吸收的波长有选择性，产生这种现象的原 因是由于分子的能量具有量子化的特征在正常状态下原子或分子处于一定能级，经光 激发后分子由基态跃迁到激发态但分子不能任意吸收各种能量只能吸收相当于两个或 几个能级之差的能量，即只能吸收一定能量的光子或其倍数。

当以某一范围的光波连续 照射分子或原子时，有某些波长的光被吸收，于是产生了由吸收谱线所组成的吸收光谱原子或分子吸收光子后能量由基态的e”提高到激发态的e。