基于可调谐和超连续谱激光的CO2检测技术研究

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随着工业的飞速发展,人类赖以生存的环境也面临着越来越严峻的挑战,CO、CO2、SO2、氮氧化物等污染气体的排放加剧了环境的恶化,因此对有毒和污染气体的定性分析与定量测量具有重要的意义。本文在对常见的气体检测方法进行对比分析的基础上,基于吸收光谱技术分别搭建了可调谐激光和超连续谱激光气体检测实验系统,通过浓度和温度实验,对系统的吸收信号、不确定度和检测限等参数进行了对比分析,并提出了一种新型激光检测系统,具体研究内容如下:课题基于吸收光谱学技术原理,对各个仪器设备进行了选型,设计并搭建了两套实验系统,以网页版HITRAN数据库为依据,选用中心波长为1430nm的二极管激光器作为可调谐激光气体检测系统的光源,并对该DFB激光器的温度-电流调谐特性进行了研究,确定了最佳工作参数,即二极管激光器工作温度为49.3℃,工作电流为57.6mA,课题还基于LABVIEW软件对数据采集系统进行了设计和编写,软件界面交互友好,易于操作。以浓度分别为0.3%、0.5%、0.9%、1.2%、1.5%和2.0%的CO2为目标气体,在常温下对两套检测系统的CO2吸收信号进行了研究,对采集到的数据进行预处理,对其吸收强度与对应浓度进行线性拟合,通过对拟合结果的验证,表明两套系统用于二氧化碳气体检测的有效性,并对比分析了两套系统的检测限等参数,综合评价了两套检测系统对气体进行检测各自的优势和劣势。依据《测量不确定度评定与表示》(JJF1059-2012)中的规范化要求和有关数据,本文还对整个实验过程中的测量不确定度来源进行了分析,并对各个分量进行了量化处理,最终得到其合成标准不确定度和扩展不确定度。为了精确测量温度对CO2吸收光谱的影响,以浓度为8%的CO2为目标气体,利用超连续谱激光器结合LLTF可调谐光学滤波器,对不同温度下的CO2吸收谱线(1430nm-1434nm)进行了测量,分析了吸收谱线的差异,获得了20℃-50℃之间等间隔为1℃的吸光度情况,并得到了较好的拟合曲线和拟合公式的数学模型,补充和完善了现有的温度对CO2吸收光谱的影响数据库,对于实际应用中CO2的吸收和测量具有重要参考意义。通过对两套气体检测系统的各项实验结果进行对比和分析,评价了两套系统在气体检测中各自的优势和劣势,分析设计了新型组合式激光气体检测系统,对其工作原理和操作步骤进行了说明,并对实验系统的接头进行了精密地设计和加工,确保了激光光路的正常传输,这些对于后续研发在线气体监测仪和实现多组分痕量气体同时在线检测具有重要的指导意义。
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