基于TDLAS及石英音叉光热光谱的CO2检测研究

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气体检测技术和我们的生活息息相关。在生物医学领域,人体呼出的气体中包含多种痕量气体,对某些痕量气体的检测可以进行特征性疾病的检测。在工业生产及安防领域,气体检测技术可以应用于痕量爆炸物检测、大气污染监测等。二氧化碳(CO2)气体是一种常见的气体种类,浓度过高或者过低的CO2气体也间接的影响着我们各行各业,研发测量精度高、稳定性好的气体检测技术对于人们的日常生活、社会生产都有很大的帮助。针对目前一些气体检测技术存在的不足,本文做了如下研究:1.基于可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)技术对CO2气体进行检测。选用中心波长为1580.51 nm的光纤耦合分布式反馈激光二极管(Distributed feedback laser,DFB),自制了有效光程为15 m的不锈钢材质赫里奥特池来增加激光与待测气体的相互作用距离,通过波长调制以及谐波检测技术进行不同浓度CO2气体的探测。实验结果表明,随着CO2浓度的增加2f信号幅值也逐渐增大,在一定范围内两者具有较好的相关性。为了进一步研究TDLAS系统的稳定性和极限探测灵敏度,本文对浓度为2.5%的CO2进行了1小时的连续测量,根据采集的9000组2f信号幅值进行了系统稳定性分析,结果表明TDLAS技术具有良好的稳定性。根据采集的数据计算了艾伦偏差,结果表明当积分时间增加到155 s时,艾伦偏差值较小,TDLAS系统对CO2的测量精度约为292 ppm。2.用宽带光波长响应的石英音叉代替光电探测器,研究了基于石英音叉的激光诱导热弹性光热光谱技术(Laser induced thermoelastic spectroscopy,LITES)。与传统的光热光谱系统不同,本文首次研究了在音叉臂上涂覆纳米ZnO的气体测量系统。选择CO2作为性能验证的目标分析物,检测了其2f信号。随后对系统的稳定性进行了实验分析,在3小时的试验周期内对浓度为6%的CO2进行了连续的测量记录,提取了8000个2f信号数据进行分析,其幅值变化范围在0.235-0.275 V之间,平均值为0.251 V,标准差计算为0.0063 V,表明该实验系统具有出色的稳定性。当积分时间达到110 s的时候,本LITES系统最优测量精度达132 ppm。基于石英音叉的LITES测量系统具有结构简单、成本低、光波长响应范围宽的优点。与裸音叉相比,涂覆纳米光吸收层后的石英音叉使2f信号提高了1.4倍,信噪比提高了1.24倍,因此石英音叉涂覆增强的LITES系统是一种很有前景的气体检测技术。最后,本文还探索了纳米ZnO在水汽测量方面的应用,制作了一种硅纳米线/氧化锌/还原石墨烯(Si NW/ZnO/r GO)肖特基结构湿度传感器,并证明了它在人体呼吸监测中的应用前景。
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