采用可调谐激光吸收光谱技术遥测甲烷气体浓度的研究

【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 absorption spectroscopy,简称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。 【关键词】：遥测望远镜收发系统 遥测 可调谐激光吸收光谱技术 甲烷 波长调制
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X831
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 本课题的意义10-12
• 1.2 可调谐二极管激光吸收光谱技术的研究现状12-17
• 1.2.1 可调谐二极管激光吸收光谱技术测量的优势12
• 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12-14
• 1.2.3 光谱气体检测的遥测技术研究现状14-17
• 第二章 可调谐激光吸收光谱技术测量原理17-43
• 2.1 测量背景简介17-31
• 2.1.1 吸收光谱学原理17-19
• 2.1.2 激光的特性19-20
• 2.1.3 Beer-Lambert定律20-27
• 2.1.4 直接吸收测量法27
• 2.1.5 波长调制技术27-31
• 2.2 实验系统介绍31-41
• 2.2.1 激光器31-33
• 2.2.2 探测器33-36
• 2.2.3 激光控制器36-37
• 2.2.4 数据采集系统37-38
• 2.2.5 信号发生器38-39
• 2.2.6 锁相放大器39-41
• 2.3 系统噪音41-43
• 2.3.1 信噪比41-42
• 2.3.2 测量灵敏度42-43
• 第三章 CH_4气体浓度常规测量43-57
• 3.1 实验背景介绍43
• 3.2 甲烷测量的谱线选择43-46
• 3.3 甲烷激光器的标定46-48
• 3.4 利用直接吸收法测量CH_4浓度48-53
• 3.4.1 系统装置48-49
• 3.4.3 直接吸收数据处理方法49-51
• 3.4.4 测量结果及分析51-53
• 3.5 利用波长调制法测量CH_4浓度53-56
• 3.5.1 系统装置54-55
• 3.5.2 实验结果及分析55-56
• 3.6 本章小结56-57
• 第四章 应用遥测望远镜收发系统探测CH_4浓度的研究57-70
• 4.1 遥测背景介绍57-58
• 4.2 遥测系统测量原理58-62
• 4.3 利用遥测系统在线监测甲烷气体浓度62-69
• 4.3.1 校准光路实验64-66
• 4.3.2 在线遥测实验66-69
• 4.4 本章小结69-70
• 第五章 全文总结与展望70-73
• 5.1 全文总结70-71
• 5.2 本文主要创新点71
• 5.3 本文的不足之处以及对下一步研究展望71-73
• 参考文献73-76
• 攻读硕士学位期间发表的论文76

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