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基于长光程激光吸收光谱痕量气体及同位素探测技术研究

陈家金  
【摘要】:随着可调谐半导体激光器、探测器等电子元器件性能的不断完善,激光吸收光谱技术在光谱分辨率和检测灵敏度方面有了很大的提高。近些年,气体检测新方法的不断出现,加快了基于激光吸收光谱技术测量仪器的工程化和实用化,在大气环境监测、工厂过程控制和废气排放、气体稳定同位素探测等方面得到了广泛的应用。本论文针对痕量气体测量仪器的小型化和高精度要求,开展了长光程激光吸收光谱技术的研究与应用:首先发展了免标定波长调制吸收光谱算法,建立了一套TDALS气体测量系统,对C2H2气体进行了免标定探测;其次,设计了可防止镜片污染的平凸镜光学多通池,建立了一套高温NH3气体测量系统,对具有腐蚀性的NH3气体进行了痕量探测;最后,利用自主设计的离轴腔增强装置和实验室自制的激光控制器电路,搭建了一套同位素探测样机,对CO2和CH4同位素进行了探测。论文的研究成果和创新主要包括:1.发展了免标定波长调制吸收光谱算法,建立了一套TDLAS气体探测系统,使用中心波长为1.53 μm的DFB二极管激光器和有效光程为10.5 m的柱面镜光学多通池,采用免标定波长调制吸收光谱方法对C2H2气体进行了痕量探测,其浓度测量误差在5%以内,并将该方法与传统的波长调制吸收光谱方法进行对比,其浓度测量精度提高了 3.5倍,对系统进行Allan方差分析,得到在1 s的平均时间下,系统的最小可探测浓度达到了 0.127 ppm,当系统的平均时间达到118 s时,探测极限可达到0.031 ppm。免标定的波长调制吸收光谱测量系统,具有高灵敏度、高分辨率、快速响应和免标定的优点,在气痕量体探测领域,特别是在吸收谱线重叠和相对恶劣的环境下,具有广泛的应用前景。2.研制了一套可防止镜片污染的平凸镜多通池,建立了基于平凸镜多通池的TDLAS高温NH3气体实时在线测量系统。使用中心波长为1.531 μm的DFB二极管激光器,在高温180℃的情况下,对NH3气体进行了痕量探测。得到二次谐波探测方法的测量精度是直接吸收测量方法的2倍,通过对系统进行Allan方差分析,得到在1s的平均时间下,系统的最小可探测浓度达到了 0.33 ppm,当系统的平均时间达到200 s时,探测极限可达到0.11 ppm。新型平凸球面镜多通池,具有结构紧凑的特点,既可以防止污染气体对镜片膜层的腐蚀,又能增加气体吸收光程,提高系统的探测灵敏度,在痕量气体探测,特别是具有腐蚀性和吸附性痕量气体的探测领域有广泛的应用。3.自主设计了一套离轴腔增强吸收光谱测量装置,并在此基础上结合实验室自制的DFB激光控制器和光电探测器电路,建立了一套同位素实时测量样机,分别使用中心波长为1.605 μm和1.658 μm的DFB二极管激光器,采用直接吸收光谱方法对CO2和CH4同位素进行了探测。实验结果表明:对于CO2同位素丰度δ值的测量,采样时间为1 s时δ值的测量精度为5.37‰,平均时间为343 s时δ值的测量精度可达到0.21‰,1 s采样周期原始数据Kalman滤波后δ值的测量精度为1.05‰;对于CH4同位素丰度δ值的测量,采样时间为1 s时δ值的测量精度为8.62‰,平均时间为166 s时δ值的测量精度可达到1.08‰;1 s采样周期原始数据Kalman滤波后δ值的精度为2.85‰。离轴腔增强测量装置,具有结构简单、高灵敏度、快速响应和小体积内实现长光程等优点;Kalman滤波可以在相同的采样时间内,大幅度提高探测系统的测量精度,在痕量气体及同位素探测领域有广泛的应用。


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