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基于TDLAS技术的CO_2浓度测量

王雪梅  
【摘要】:随着科学水平及工业化进程的逐步加快,环境污染问题日益严重。其中以二氧化碳气体为主要因素而造成的温室效应,会对地球环境及人类健康形成极大的危害。因此对气体进行有效的监测十分重要。同时对二氧化碳气体浓度的检测,可以为检测其他有害气体奠定基础,提高目前的气体浓度测量水平。本文分析了可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)的基础原理,指出可根据气体的选择性吸收特性,即利用不同气体对光强吸收程度的不同计算被测气体浓度,同时对谱线强度、线型函数进行了简要介绍。通过HITRAN数据库进行分析,选择位于1572.3351nm处的二氧化碳谱线进行测量。对直接分析法及波长调制法进行了详细的介绍及推导。通过MATLAB软件对波长调制法测量进行仿真模拟。通过TDLAS技术的理论指导,搭建系统硬件实验平台,分为光源系统,气室,接收与数据处理系统三大重要组成部分。对每一部分的具体组成进行了选型设定,详细介绍,逐步调试完成整体系统的搭建。在此基础上,通过实验对波长调制法中的关键参数进行选择设定。通过对接收信号的稳定性及峰值情况进行分析,从而选择合适的高频调制参数。同时对锁相放大器中关键参数进行实验选择,从而使系统在检测时可以得到更好的谐波信号进行计算,提高测量的精确度。利用调试好的硬件实验系统,分别使用直接吸收法和波长调制法,对不同浓度的CO2气体进行测量。直接吸收法可直观的表现出激光被气体吸收的情况,但精度较低,测量下限高。使用波长调制法,利用锁相放大器提取二次谐波信号,二次谐波信号的峰值呈现出较好的线性关系,然后利用气体浓度反演算法,可以通过已知浓度的标准气体对测量气体的浓度进行反演,测量结果精度高,并且极大的降低了测量下限,可以测量更低浓度的气体。


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