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基于可调谐激光光谱的一氧化碳痕量气体检测方法研究

张红丽  
【摘要】:近几年来,随着“低碳、环保、节能”观念的日益深入人心,人们开始更多地关注环境问题,尤其是CO气体的检测问题。传统的痕量气体检测方法,如化学分析法及气相色谱法无法实现实时在线检测,检测灵敏度低。本文基于比尔-朗伯定律,探究将可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)技术用于CO痕量气体的检测,主要内容分为以下几个部分: 研究了TDLAS气体检测系统的关键技术,分析谐波检测技术的基本原理,并根据各次谐波幅值信号的特点,确定选用二次谐波技术进行气体检测,通过对调制系数分析,确定选用为2.2。基于国际通用光谱数据库HITRAN2008以及JavaHAWKS软件,仿真求取CO气体吸收谱线图及其他干扰气体的谱线图。考虑到激光器的性能及背景气体的干扰强弱,对其吸收谱线进行分析,最后确定1.567gm波长处作为气体的特征吸收峰。 依据CO吸收谱线的选择,设计基于TDLAS技术的CO痕量气体检测系统,主要从光源及驱动部分、光路部分和检测接收部分来考虑。对系统的各部分构成,包括光源、激光驱动器、激光准直器、光电探测器、锁相放大器、数据采集卡等部件进行设计与调试。基于LabVIEW平台,采用模块化的编程思想,开发可靠、智能化并具有良好人机界面的CO痕量气体检测系统。 在搭建基于TDLAS技术的CO痕量气体检测系统基础上,对系统的性能进行实验研究。对可调谐二极管激光器进行了温度和电流的调谐特性测试,确定其工作特性,温度为25℃,注入电流60mA。考虑到系统在测量时受到温度和压力的影响,本文对测试系统在常温常压下特性进行标定,对温度和压力对测量浓度值产生的影响进行了修正,并对系统的稳定度和不确定度进行分析。通过实验结果可知,系统检测下限为40ppm,系统稳定性浓度偏差小于2ppm,不确定度为1.75%,基本实现了CO痕量气体的在线检测。


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