甲烷气体监测的可调谐多模二极管激光光谱技术研究

【摘要】： 气体探测在工业生产、生物医疗以及环境监测等领域都有重要的意义。光学检测方法具有测量范围广、寿命长、非接触等优点。可调谐二极管激光器以其窄线宽、高分辨等特点,在气体检测方面倍受青睐。本文利用1310nm多模二极管激光器,对甲烷气体探测技术及相关物理问题进行了研究。实验测量了激光器的发射参数。通过测量不同温度及不同电流下激光发射谱确定了激光器的电流调谐系数和温度调谐系数分别为0.02nm/mA和0.35nm/°C;提出了一种利用多模激光器对气体吸收谱线的标定方法;通过测量调制后的激光发射谱,并与HITRAN数据库得到的甲烷气体在1310nm波段处的吸收线强比较,确定了只有一条位于1318.2nm处的吸收线被激光扫描过。此工作为利用多模激光器测量甲烷气体奠定了基础。 利用波长调制光谱技术开展了甲烷气体在不同浓度下的二次谐波信号研究。研究发现,二次谐波信号的峰值和浓度有非常好的线性关系;实验值和理论计算值的偏差小于2%。最后给出了系统的灵敏度约为640ppm-m。同时,实验还测量了二次谐波信号随压强的变化,随着压强的减小,二次谐波信号出现了多峰结构;通过对直接吸收信号的多峰拟合,确定其吸收谱线是有四条小吸收线叠加而成,与HITRAN数据库给出的结果一致。由于气体展宽效应的影响,吸收线的相互叠加,常压时会得到更大的吸收信号。通过温修正,给出了吸收线的中心频率随压强的变化系数为-0.017cm-1/atm,与HITRAN数据库给出的-0.015cm-1/atm十分接近。 以线型理论为基础利用计算机开展了甲烷气体吸收信号的模拟研究。模拟了甲烷气体在1atm和0.01atm时的直接吸收谱线,模拟的直接探测信号和二次谐波信号与实验结果有非常高的相似度。模拟结果不仅验证了已有的实验结果,同时也对今后实验的开展具有指导作用。 【关键词】：甲烷 二极管激光器 浓度检测 吸收光谱
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：O433.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 研究背景及目的意义9
• 1.2 气体检测技术9-11
• 1.2.1 化学方法10
• 1.2.2 光谱学方法10-11
• 1.3 甲烷气体检测技术现状11-13
• 1.4 本论文研究的主要内容13-15
• 第2章 实验基本参数测量15-26
• 2.1 引言15
• 2.2 光谱仪简介15-16
• 2.3 甲烷吸收谱测量16-19
• 2.4 多模激光器参数测量实验19-25
• 2.4.1 实验原理19
• 2.4.2 多模二极管激光器发射谱19-23
• 2.4.3 调制后多模二极管激光发射谱23-25
• 2.5 本章小结25-26
• 第3章 TMDLAS测量甲烷的实验研究26-44
• 3.1 引言26-27
• 3.2 气体分子光谱27-28
• 3.3 Beer-lambert定律28-30
• 3.4 多模激光吸收光谱30-31
• 3.5 波长调制光谱技术31-34
• 3.6 TMDLAS技术测量甲烷的实验研究34-43
• 3.6.1 实验装置34-35
• 3.6.2 浓度测量实验35-38
• 3.6.3 压强测量实验38-39
• 3.6.4 多峰结构分析39-40
• 3.6.5 温度漂移修正40-43
• 3.7 本章小结43-44
• 第4章 甲烷气体浓度测量实验模拟44-49
• 4.1 引言44
• 4.2 吸收线型模拟44-46
• 4.3 测量结果与模拟结果比较46-48
• 4.4 本章小结48-49
• 结论49-50
• 参考文献50-55
• 致谢55

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