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差分光学吸收在线测量有害气体研究

作　者: 徐理明
导　师: 杨小丽
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学
关键词: 差分光学测量 甲烷 一氧化碳 甲醛 气体测量
分类号: X830
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 81次
引　用: 1次
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内容摘要


随着工业化进程加快,环境问题也逐渐引起人们的关注,其中空气中的气体污染给人们的健康带来较多的影响,检测环境污染气体成为需要。气体检测有多种方法,但是传统气体检测往往不能较好地适合生活环境场合,它们一般具有操作复杂、仪器笨重、有一定危害、不能实时测量等特点。本文使用光学吸收原理,对三种常见危害气体一氧化碳、甲烷和甲醛进行气体浓度测量设计,旨在设计出安全、可实时监测的小区域大气中污染气体测量仪。气体对光的吸收作用可以使用Lambert-Beer(朗伯-比尔)定律来描述。为了将此定律应用于气体检测中,必须要分析待测气体的光吸收特性。本文对三种气体一氧化碳、甲烷和甲醛进行了吸收光谱的波段分析和气体之间光谱对比分析,在中红外分别为三种气体选择了气体吸收峰作为气体检测的使用波长。在测量中直接应用Lambert-Beer(朗伯-比尔)定律是有诸多困难的,因为有多种误差的存在,差分光学吸收测量方法可用来消除这些误差。差分光学吸收测量方法有多种具体形式,文章对比分析了几种重要方法,结合设计需要,选择了本文改进的双波长单光路法作为测量原理,并选择LED光源配合滤光片使用来获得双波长光源。双波长单光路检测方法,一方面在气体吸收峰波长处探测气体对光的吸收强度,吸收的强度可以反映气体浓度;另一方面在吸收峰附近的参考波长处进行同样的测量,目的在于使用吸收峰波长处的探测光强除以参考波长处探测光强来消除光源波动、干扰气体和烟气颗粒等带来的影响。本文根据三种气体测量的使用波长,对LED光源、探测器、滤光片进行了选材,并使用ZEMAX软件进行了发射、接收等光路设计,对光路光能损耗率进行了计算。探测器探测光信号后要进行一些初始的信号处理,这部分主要是对探测到的微弱信号进行放大、滤波和对信号进行采样获得数字信号,文章进行了放大、滤波、峰值检波电路等设计。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-20
  1.1 引言  9-10
  1.2 气体传感器研究概况  10-16
    1.2.1 气体传感器特性要求  10-11
    1.2.2 几种主要的气体传感器  11-16
  1.3 红外气体检测技术国内外进展  16-18
    1.3.1 国外研究进展  16-17
    1.3.2 国内研究进展  17-18
  1.4 论文的主要内容及特色  18-20
第二章 气体光谱理论及差分光吸收气体检测技术  20-41
  2.1 气体能级与吸收光谱  20-24
    2.1.1 气体分子能级结构  20-23
    2.1.2 气体分子吸收光谱  23-24
  2.2 气体分子吸收光谱的强度与线宽  24-26
  2.3 一氧化碳、甲烷和甲醛气体的红外吸收光谱  26-30
    2.3.1 一氧化碳的光吸收谱线  26-28
    2.3.2 甲烷的光吸收谱线  28-29
    2.3.3 甲醛的光吸收谱线  29-30
  2.4 差分光学吸收检测原理  30-37
    2.4.1 单波长双光路法  31
    2.4.2 双波长单光路法  31-33
    2.4.3 双波长多光路法  33-35
    2.4.4 对双波长单光路法的改进  35-37
  2.5 调制检测技术  37-41
    2.5.1 光强调制  37-38
    2.5.2 气体浓度的调制  38
    2.5.3 光吸收系数的调制  38-41
第三章 气体检测结构系统设计  41-60
  3.1 系统的总体结构  41-42
  3.2 光源、滤光片和光探测器的选定  42-47
    3.2.1 光源的选定  43-45
    3.2.2 探测器的选定  45
    3.2.3 滤光片所用波长的选定  45-47
  3.3 光路设计  47-60
    3.3.1 光源准直透镜  47-54
    3.3.2 接收天线  54-56
    3.3.3 压缩光束透镜  56-60
第四章 探测电路和实验定标方法讨论  60-70
  4.1 探测电路  60-67
    4.1.1 探测前置偏置电路  60-61
    4.1.2 探测器的噪声分析  61-62
    4.1.3 放大电路  62-63
    4.1.4 滤波电路  63-65
    4.1.5 峰值检测电路  65-66
    4.1.6 转换数字信号  66-67
  4.2 实验定标方法讨论  67-70
第五章 总结与展望  70-72
  5.1 主要工作及创新点  70-71
  5.2 展望  71-72
致谢  72-73
参考文献  73-77
攻硕期间取得的研究成果  77-78

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 环境质量评价与环境监测 > 环境监测 > 一般性问题
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