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AOTF红外光谱检测仪的研制

作　者: 王洁
导　师: 郑颖君；余桂英
学　校: 中国计量科学研究院
专　业: 测试计量技术与仪器
关键词: 声光可调谐滤光器(AOTF) 红外光谱单光路双探测器信号处理
分类号: TH744.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 265次
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内容摘要

红外光谱分析技术作为“绿色检测技术”的代表，具有高效、快速、成本低、无损伤和绿色环保等优点，广泛应用于石油化工、农业、医药临床和生化等领域。现实生活中室内空气的检测、汽车尾气的含量、烟道气体排放等实际问题需要对气体的成分和含量进行实时分析，本论文研究并设计了一台新型红外光谱检测仪。该仪器以最新的声光技术结晶——声光可调谐滤光器AOTF（Acoustic-Optic Tunable Filter）为色散元件，选用工作波长范围2um—4um(5000cm^-1—2500cm^-1)。AOTF红外光谱检测仪以它重量轻、无需机械运动部件、适合现场应用等优点成为这一领域的佼佼者。本文概述了AOTF的工作原理，对其性能指标进行了详尽的理论分析以及实验测试，获得以下几个较为重要的结论以指导实际的应用：1、入射角应尽量符合动量匹配原则以获得最佳衍射效率；2、入射光的光束角必须小于AOTF的角孔径要求；3、采用线偏振光入射将大大提高AOTF的衍射效率。在系统的光学结构设计中遵循以上几个原则，对发射系统、分光光路、接收系统的光学设计做了详细的介绍。采用单光路双探测器设计，大大减弱了光源波动、光路干扰的影响，对测量信号进行互相关检测，提高了微弱信号检测的信噪比。以标准样品聚苯乙烯薄膜，对红外光谱检测系统进行波长校正，校正后波长的准确度达到±0.5cm^-1，系统的稳定性可达到0.8％。利用AOTF红外光谱检测仪分别对苯、异丙醇气体进行光谱测试，扫得谱图的吸收峰位置与傅立叶光谱仪的结果基本一致，分辨率水平还有待于进一步提高。对异丙醇气体作了初步的定量分析实验，直线拟和的相关系数达到0.9824。本课题开展AOTF红外光谱检测仪的理论研究、结构设计与实验分析，完成了一套实验装置，为有毒气体检测仪的实际应用打下了基础，对于降低检测人员的工作量，提高检测效率，实现现场检测具有重要的现实意义。该研究中几个有价值的结论为AOTF的应用提供了理论和技术支撑，获得了预期良好的效果。

全文目录

摘要  2-3
ABSTRACT  3-6
第一章绪论  6-8
  1.1 论文研究的目的、意义和方法  6
  1.2 声光可调谐滤光器(AOTF)的发展与应用状况  6-8
第二章声光可调谐滤光器的性能研究  8-21
  2.1 声光互作用原理  8-10
  2.2 AOTF性能指标  10-11
  2.3 AOTF参数的理论计算与分析  11-16
    2.3.1 AOTF器件参数  11-12
    2.3.2 超声波频率与衍射光波长、入射角与衍射光波长的关系  12-13
    2.3.3 入射角与两级衍射光波长、超声波频率与两级衍射光波长差的关  13-14
    2.3.4 衍射光波长与衍射角的关系  14
    2.3.5 入射角与分辨率、衍射光波长与分辨率的关系  14-15
    2.3.6 入射角与角孔径、衍射光波长与角孔径的关系  15-16
  2.4 AOTF性能测试实验  16-21
第三章 AOTF红外光谱检测仪的总体设计  21-24
  3.1 红外光谱检测原理  21-22
  3.2 仪器结构总体设计  22-23
  3.3 数字频率合成器简介  23-24
第四章光学结构设计  24-37
  4.1 红外光学系统的特点  24
  4.2 AOTF光谱检测光学系统的总体设计  24-26
    4.2.1 光学系统设计要求  24
    4.2.2 光学结构总体设计  24-26
  4.3 AOTF光谱检测系统的单元设计  26-37
    4.3.1 光源  26-27
    4.3.2 透镜结构参数设计  27-28
    4.3.3 发射系统光路设计  28-33
    4.3.4 分光光路  33-34
    4.3.5 检测器  34
    4.3.6 接收系统光路设计  34-37
第五章信号的相关检测  37-42
  5.1 锁定放大器(Lock-in Amplifier)  37-40
    5.1.1 相关器  38-39
    5.1.2 锁定放大器的实现  39-40
  5.2 双探测器检测  40-42
第六章 AOTF红外光谱检测仪的性能评价  42-58
  6.1 系统的稳定性  42-43
  6.2 100％线的平直性  43-45
  6.3 波长校正及准确度  45-49
    6.3.1 波长校正  45-48
    6.3.2 校正模型验证  48-49
  6.4 波长的重复性  49-50
  6.5 波长的分辨率  50-51
  6.6 系统的波长范围  51
  6.7 气体样品红外光谱  51-58
第七章总结和展望  58-60
参考文献  60-63
致谢  63-64
附录1 在读期间主要科研项目和发表的相关论文  64-65
附录2 机械图  65-69
附录3 AOTF参数理论计算分析程序  69-75

AOTF红外光谱检测仪的研制

内容摘要

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