氣體監(jiān)測的可調(diào)諧多模二極管激光關(guān)聯(lián)光譜技術(shù)研究.pdf

1、對氣體的有效探測在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制和生物醫(yī)療等領(lǐng)域都具有重要意義。相比于化學(xué)方法，光學(xué)技術(shù)具有非接觸、測量范圍大等優(yōu)點，其中可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）和關(guān)聯(lián)光譜（COSPEC）是兩種主流技術(shù)。為了克服 TDLAS技術(shù)成本高、穩(wěn)定性差、可靠性低的缺點，本論文在開展了TDLAS和 COSPEC技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，將 COSPEC引入到 TDLAS中，發(fā)展了新的可調(diào)諧多模二極管激光關(guān)聯(lián)光譜（TMDL-COSPEC）技術(shù)，并用該技術(shù)

2、開展了多種氣體監(jiān)測的研究。
　　開展了TDLAS氣體監(jiān)測技術(shù)的研究。在以CO2為樣例氣體的測量實驗中，使用中心發(fā)射波長為1578.7nm的VCSEL型二極管激光器獲得了CO2的高分辨吸收光譜，通過應(yīng)用波長調(diào)制光譜（WMS）技術(shù)顯著提高了信噪比，采用2s的積分時間獲得了130ppm的測量靈敏度，測量值與計算值的偏差小于1％。TDLAS技術(shù)的研究為后面氣體監(jiān)測研究工作的開展奠定了基礎(chǔ)。
　　采用發(fā)射波長在300nm附近的LED開

3、展了COSPEC技術(shù)監(jiān)測SO2的研究。通過測量多組不同濃度的SO2獲得了具有很高線性度的濃度標(biāo)定曲線，光強調(diào)制系數(shù)正比于參考?xì)怙柡投?。使用Allan方差分析法評估系統(tǒng)的最佳積分時間大于60s，最佳靈敏度好于0.4 ppm。壓強變化和NO2的存在對測量的影響很小。該研究表明采用COSPEC技術(shù)可實現(xiàn)對SO2的低成本、抗干擾、靈敏測量。
　　提出了新的TMDL-COSPEC氣體監(jiān)測技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了TDLAS技術(shù)高靈敏和響應(yīng)快速的技術(shù)

4、優(yōu)勢與COSPEC技術(shù)抗干擾和堅固穩(wěn)定的優(yōu)點。從Beer-Lambert定律出發(fā)建立了多模激光吸收光譜理論模型。在TMDL-COSPEC技術(shù)測量氣體的實驗研究中所使用的光源是廉價的Fabry-Pérot（FP）型MDL，其發(fā)射光譜與目標(biāo)氣體吸收光譜具有很好的交疊，很容易獲得豐富的目標(biāo)氣體的特征吸收信號。使用發(fā)射譜在1570nm附近的MDL在沒有對光源做溫度穩(wěn)定控制的條件下實現(xiàn)了對CO2的準(zhǔn)確測量，獲得的靈敏度為400ppm。樣品氣內(nèi)混入

5、的CO干擾氣體沒有對測量產(chǎn)生影響，證明了TMDL-COSPEC技術(shù)的選擇性。使用發(fā)射波長在1520nm附近的MDL測量了C2H2氣體，研究了測量靈敏度與可靠性的關(guān)系，實驗結(jié)果表明，在采用多信號推演待測氣體濃度時，靈敏度與可靠性間存在著此消彼長的辯證關(guān)系。開展了CO2和CO的同時測量研究，利用兩個分別裝有已知濃度CO2和CO的參考池實現(xiàn)了對兩種目標(biāo)氣體的特異性識別和準(zhǔn)確定量分析。
　　在300~473K的范圍內(nèi)研究了溫度對 TMDL

6、-COSPEC技術(shù)測量氣體的影響。在以氧氣為測量對象的實驗研究中，從理論上分析了溫度對氣體體積和吸收線形的影響，實施了三種方案找到了在不同應(yīng)用場景下的溫度修正方法并比較了它們的優(yōu)缺點。溫度修正后的測量結(jié)果相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1%，表明溫度效應(yīng)被有效修正。
　　分別采用FP型的MDL和VCSEL型單模二極管激光器對TMDL-COSPEC和 TDLAS技術(shù)進行了比較研究。以氧氣為測量對象的實驗研究結(jié)果表明，盡管TMDL-COSPEC技術(shù)的

7、靈敏度比TDLAS技術(shù)要差大約3倍，但前者的穩(wěn)定性遠(yuǎn)好于后者，并且前者具有對光源要求寬松和使用簡單的優(yōu)點。兩種技術(shù)均表現(xiàn)出了水平相當(dāng)?shù)母呔€性度。應(yīng)用TMDL-COSPEC技術(shù)在無人職守情況下對熱電廠煙氣中氧氣含量實施了連續(xù)5天的實時監(jiān)測，TMDL-COSPEC技術(shù)表現(xiàn)出了高度的測量穩(wěn)定性和對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性。
　　在應(yīng)用TMDL-COSPEC技術(shù)實施氣體監(jiān)測時，不必要求光源必須是單模發(fā)射，不必對每個二極管激光器做嚴(yán)格標(biāo)定，不必做波