氣體監(jiān)測的可調(diào)諧多模二極管激光關聯(lián)光譜技術研究.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)療等領域都具有重要意義。相比于化學方法，光學技術具有非接觸、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）和關聯(lián)光譜（COSPEC）是兩種主流技術。為了克服 TDLAS技術成本高、穩(wěn)定性差、可靠性低的缺點，本論文在開展了TDLAS和 COSPEC技術研究的基礎上，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聯(lián)光譜（TMDL-COSPEC）技術，并用該技術

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，通過應用波長調(diào)制光譜（WMS）技術顯著提高了信噪比，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技術的研究為后面氣體監(jiān)測研究工作的開展奠定了基礎。
　　采用發(fā)射波長在300nm附近的LED開

3、展了COSPEC技術監(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定曲線，光強調(diào)制系數(shù)正比于參考氣飽和度。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，該技術結合了TDLAS技術高靈敏和響應快速的技術

4、優(yōu)勢與COSPEC技術抗干擾和堅固穩(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)射光譜與目標氣體吸收光譜具有很好的交疊，很容易獲得豐富的目標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系，實驗結果表明，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)了對兩種目標氣體的特異性識別和準確定量分析。
　　在300~473K的范圍內(nèi)研究了溫度對 TMDL

6、-COSPEC技術測量氣體的影響。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果相對標準偏差小于1%，表明溫度效應被有效修正。
　　分別采用FP型的MDL和VCSEL型單模二極管激光器對TMDL-COSPEC和 TDLAS技術進行了比較研究。以氧氣為測量對象的實驗研究結果表明，盡管TMDL-COSPEC技術的

7、靈敏度比TDLAS技術要差大約3倍，但前者的穩(wěn)定性遠好于后者，并且前者具有對光源要求寬松和使用簡單的優(yōu)點。兩種技術均表現(xiàn)出了水平相當?shù)母呔€性度。應用TMDL-COSPEC技術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技術表現(xiàn)出了高度的測量穩(wěn)定性和對復雜環(huán)境的適應性。
　　在應用TMDL-COSPEC技術實施氣體監(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格標定，不必做波