氣體紅外吸收光譜檢測信號的分析研究.pdf

1、為實現(xiàn)工業(yè)信息化與自動化的深入融合，需要對工業(yè)生產(chǎn)中的多個環(huán)節(jié)實施在線監(jiān)測，以確保生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)安全。對源頭性氣體、中間氣體以及廢氣的檢測是生產(chǎn)監(jiān)測的重要組成部分。在眾多氣體檢測技術(shù)中，基于紅外吸收光譜技術(shù)的氣體檢測系統(tǒng)、儀器受到廣泛關注。一方面，多數(shù)工業(yè)氣體具有紅外發(fā)射、吸收光譜特性;另一方面，半導體激光技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、計算機應用技術(shù)等實用性技術(shù)的逐步成熟為智能儀器的發(fā)展提供了便利。光纖質(zhì)輕、抗電磁干擾能力強，因此基于光纖技術(shù)的紅

2、外吸收光譜氣體檢測技術(shù)可被廣泛應用于電子環(huán)境復雜、易燃易爆的特殊環(huán)境中。在紅外吸收光譜檢測技術(shù)的分支中，可調(diào)諧半導體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)因其多年的研究積淀應用最為廣泛，光聲光譜(PAS)技術(shù)則由于無背景檢測的特點在痕量氣體檢測應用中占據(jù)優(yōu)勢?；谝陨霞夹g(shù)，致力于小型化甚至微型化儀器和專用型檢測設備或模塊的研究是我國紅外光譜檢測分析領域的一個重要發(fā)展方向。
　　對于應用在生產(chǎn)環(huán)節(jié)的設備而言，高分辨率固然重要，但檢測準確性和

3、性能穩(wěn)定是系統(tǒng)在應用中更為重要的兩個方面。我們需要從信號的產(chǎn)生、噪聲起因、波形變化等方面去廣泛而深入的分析能夠影響到實際檢測信號的各種因素，找到問題才能有針對性的解決問題，優(yōu)化系統(tǒng)性能。因此，對系統(tǒng)信號的分析研究是系統(tǒng)開發(fā)的關鍵工作。
　　本文主要以水蒸氣紅外吸收光譜檢測系統(tǒng)為例，針對非電子噪聲來源、信號畸變（剩余幅度調(diào)制影響、激光器非線性效應影響）、信號提升以及稀釋氣體影響等方面進行分析研究。文章的主要工作和創(chuàng)新點如下:

4、　　1.闡述分子紅外吸收的產(chǎn)生機理，給出氣體紅外吸收檢測技術(shù)的可行性理論依據(jù)。介紹吸收譜線強度和譜線線型函數(shù)等關鍵參數(shù)，并分析了壓強和溫度對譜線強度、譜線半高全寬、線型函數(shù)以及單位濃度吸收率的影響。闡述光聲信號的產(chǎn)生機理，給出石英增強型光聲光譜檢測技術(shù)中光聲信號的理論推導。對洛倫茲吸收線型進行傅里葉級數(shù)展開，給出諧波檢測技術(shù)的理論依據(jù)，并分析剩余幅度調(diào)制的來源和相關參量。
　　2.介紹可調(diào)諧半導體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)和石

5、英增強型光聲光譜(QEPAS)技術(shù)的典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及TDLAS系統(tǒng)三種信號解調(diào)方式:直接差分、諧波檢測和差分后再諧波檢測。闡述波長調(diào)制和鎖相檢測技術(shù)原理。
　　3.分析了TDLAS系統(tǒng)的非電子噪聲來源。具體包括:光纖宏彎（抖動）、環(huán)境溫度變化引起光器件工作狀態(tài)改變帶來的功率波動噪聲;本底吸收影響，即大氣高組分氣體殘留在器件內(nèi)部引起的非氣室內(nèi)待測氣體的吸收;光路中多個光學平面之間的標準具干涉噪聲干擾。
　　4.詳細研究了波長

6、調(diào)制下激光器輸出光頻（波長）和功率之間的相位差對二次諧波信號的影響，并利用氣體吸收峰對該相位差進行了測量。上述相位差根據(jù)驅(qū)動電流的作用分為調(diào)制相位差和掃描相位差。研究了調(diào)制相位差分別對單相鎖相檢測系統(tǒng)和雙相鎖相檢測系統(tǒng)所得到的二次諧波信號的影響，并且針對單相鎖相的影響提出相位補償?shù)霓k法。還研究了掃描相位差對諧波信號的影響。提出了一種基于時間差測量相位差的方法，利用氣體吸收峰對50Hz～50kHz驅(qū)動頻率下正弦和三角波驅(qū)動激光器產(chǎn)生的相位

7、差進行測量，并進行相關分析。
　　5.深入研究了激光器功率非線性對低濃度檢測時諧波信號的影響。理論分析并實驗驗證了激光器非線性效應對一次和二次諧波的影響與驅(qū)動激光器的掃描電流有關。分析了激光器非線性效應對低濃度下一次諧波檢測和二次諧波檢測信號的影響，以二次諧波檢測為例，該非線性效應帶來的信號畸變量約與5ppm（利用5m氣室進行檢測）水蒸氣產(chǎn)生的吸收信號的幅值相當，因而在痕量檢測應用中非線性的影響不能忽視。針對激光器非線性輸出對痕量

8、氣體檢測造成的影響，提出利用雙光路結(jié)構(gòu)進行抑制。
　　6.針對QEPAS系統(tǒng)光聲信號的提升展開研究。研究包括:聲波共振管的最佳放置位置和各點的共振放大倍數(shù);同等物理結(jié)構(gòu)下對比石英材料和不銹鋼材料共振結(jié)構(gòu)的共振效果;利用直角棱鏡反射光束與入射光束光軸錯離的特點，提出了一種基于直角棱鏡搭建的雙程QEPAS氣體檢測系統(tǒng)，利用棱鏡將單路透射光束反射，使反射光束二次激發(fā)光聲信號，并進行聲波共振放大，在提升光聲信號的同時改變了音叉在系統(tǒng)中的響

9、應特性，使系統(tǒng)信號放大倍數(shù)由16增加至22.4倍，且噪聲幅度由單程結(jié)構(gòu)的14.3μV降至11.6μV，改善系統(tǒng)信噪比。
　　7.研究了改變稀釋氣體（背景氣體）對檢測系統(tǒng)信號的影響。實驗發(fā)現(xiàn)同一濃度（體積比）甲烷氣體在分別以氮氣、氧氣和乙烷作為稀釋氣體的檢測系統(tǒng)中產(chǎn)生的吸收信號各不相同，根據(jù)吸收信號產(chǎn)生的機理分析認為改變稀釋氣體導致待測氣體譜線線寬發(fā)生變化，進而影響檢測到的吸收峰峰值和二次諧波信號幅值。利用統(tǒng)計力學的碰撞理論對譜線線