基于碳納米管薄膜修飾微懸臂梁的紅外光熱光譜探測系統(tǒng)研究.pdf

1、種類不斷增加的各種物質(zhì)(包括氣體、粉塵和顆粒等)不僅與空氣質(zhì)量和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)而且對人們身體健康以及生命財產(chǎn)安全具有重要影響。結(jié)合完備的法律體系，采用探測靈敏度高、探測種類多、檢測速度快的痕量物質(zhì)檢測設(shè)備對可疑物質(zhì)進(jìn)行全面、深入地檢測是改善空氣質(zhì)量、減少生產(chǎn)安全事故以及預(yù)防恐怖爆炸活動的重要途徑。激光紅外光譜檢測技術(shù)可以對氣態(tài)、固態(tài)和液態(tài)等形態(tài)的物質(zhì)進(jìn)行檢測，具有檢測精度高、靈敏度高、不依賴于待測物數(shù)量和質(zhì)量并能夠用于大宗物質(zhì)檢測等

2、優(yōu)點，已成為物質(zhì)探測技術(shù)研究重點和發(fā)展的新方向。
　　在分析痕量物質(zhì)激光紅外光譜探測技術(shù)的基礎(chǔ)上，本論文提出了基于碳納米管薄膜修飾微懸臂梁的紅外光熱光譜探測系統(tǒng)；完成了系統(tǒng)的基本原理及可行性分析；建立了無序排列的碳納米管薄膜熱導(dǎo)率理論模型；建立了碳納米管薄膜修飾微懸臂梁的光熱響應(yīng)物理模型，推導(dǎo)了光熱光譜信號表達(dá)式；完成了碳納米管薄膜修飾的微懸臂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制備和測試；對光纖琺珀非掃描式相關(guān)解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)光路和軟硬件電路進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)

3、化，并制作了實驗樣機(jī)，完成了其性能測試；采用該實驗樣機(jī)進(jìn)行了微懸臂梁的光熱響應(yīng)實驗研究；最后以空氣中水蒸氣作為被測對象，進(jìn)行了初步的物質(zhì)光譜探測實驗，驗證了該系統(tǒng)用于物質(zhì)探測的可行性。本文具體內(nèi)容如下：
　　1)對構(gòu)成微懸臂梁的關(guān)鍵材料——碳納米管薄膜的熱導(dǎo)率進(jìn)行了理論分析，建立了無序排列的碳納米管薄膜的熱導(dǎo)率研究的理論模型，分析了薄膜熱導(dǎo)率與碳納米管固有熱導(dǎo)率、長度、體積分?jǐn)?shù)、接觸熱導(dǎo)以及薄膜密度之間的關(guān)系。
　　2)對碳

4、納米管薄膜修飾的微懸臂梁在光熱激勵下的光熱響應(yīng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)理論研究，建立了光熱激勵下微懸臂梁的熱學(xué)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)物理模型，推導(dǎo)出了穩(wěn)態(tài)和動態(tài)響應(yīng)的計算公式；分析了在紅外激光激勵下微懸臂梁的熱靈敏度，為后續(xù)的微懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計和實驗研究提供理論依據(jù)；進(jìn)一步推導(dǎo)了光熱光譜信號的表達(dá)式，為光熱光譜物質(zhì)檢測提供了理論支持。
　　3)根據(jù)碳納米管薄膜熱導(dǎo)率的理論分析以及微懸臂梁光熱響應(yīng)特性分析結(jié)果，對碳納米管薄膜的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；完成了碳納米管

5、薄膜的制備和特性測試；完成了硅基復(fù)合結(jié)構(gòu)微懸臂梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和制備；采用薄膜轉(zhuǎn)移法將碳納米管薄膜轉(zhuǎn)移至該復(fù)合結(jié)構(gòu)微懸臂梁上，完成了碳納米管薄膜修飾微懸臂梁的制備。
　　4)完成了微懸臂梁振動信號解調(diào)系統(tǒng)——光纖琺珀傳感器非掃描式相關(guān)解調(diào)系統(tǒng)的理論分析。分析了以鹵鎢燈作為照明光源所對應(yīng)的解調(diào)結(jié)果，得到了輸出光強(qiáng)與腔長的關(guān)系曲線。完成了光纖琺珀傳感器解調(diào)系統(tǒng)的光學(xué)部分和硬件電路設(shè)計；完成了軟件系統(tǒng)實現(xiàn)方案及相應(yīng)程序編寫，給出了軟件實

6、現(xiàn)流程；在此基礎(chǔ)上制作了琺珀解調(diào)系統(tǒng)實驗樣機(jī)，并完成了腔長標(biāo)定和穩(wěn)定性測試。
　　5)使用光纖琺珀傳感器解調(diào)系統(tǒng)實驗樣機(jī)，開展了微懸臂梁光熱響應(yīng)特性實驗研究。測量了不同激光脈沖頻率、占空比、激光功率以及激光照射位置所對應(yīng)的微懸臂梁振動輸出，驗證了微懸臂梁光熱響應(yīng)理論模型的正確性，并由此確定了物質(zhì)光譜探測實驗的激光參數(shù)。
　　6)在驗證系統(tǒng)各部分設(shè)計可行的基礎(chǔ)上，以空氣中的水蒸氣作為被測對象，在近紅外波段進(jìn)行了初步的物質(zhì)探測實