基于光纤麦克风增强型光声光谱的痕量氨气检测技术

论文摘要

近年来,随着科技的飞速发展,工业化和现代化的进一步推进,种类繁多的气体在生活中扮演着重要角色。氨气（NH3）作为一种有刺激性气味的有毒气体,会对环境及人体造成伤害。因此对氨气进行高灵敏度的检测具有重要意义。本文针对痕量氨气的高灵敏度检测技术进行了深入的研究。详细介绍了传统的氨气检测方案及光声光谱（PAS）气体检测技术的发展历程。从多个角度阐述了声波传感器的类型,以及基于声波传感器的PAS气体检测技术。深入分析了PAS气体检测理论,明确了声波传感器的灵敏度是影响PAS气体检测灵敏度的关键因素。为了提高PAS气体检测系统的灵敏度,本文提出了一种基于悬臂梁膜片的光纤声波传感器。在厚度为10μm的不锈钢膜片上制作一个一边固定三边可以自由振动的矩形悬臂梁结构,悬臂梁作为声波敏感元件与光纤平端面结合,构成F-P干涉仪结构的光纤悬臂梁麦克风。与传统声波传感器相比,光纤悬臂梁麦克风具有体积小、免疫电磁干扰、灵敏度高等优势。由掺铒光纤放大器放大的近红外可调谐掺铒光纤激光器（TDFL）作为光声信号的激励光源,结合共振式光声池搭建了一套PAS痕量氨气检测系统。利用波长调制结合二次谐波检测技术提取光声信号。痕量NH3测量实验表明,当激励光的中心波长为1522.448nm时,本文所述的PAS气体检测系统对0ppm-20ppm浓度范围的氨气具有良好的线性响应,响应度为660.5μV/ppm,当积分时间为30s时,该系统对氨气的极限检测灵敏度为3.2ppb。

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摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 传统的气体检测方案

1.2.1 基于半导体传感器的气体检测技术

1.2.2 基于电化学传感器的气体检测技术

1.2.3 基于可调谐二极管激光吸收光谱法（TDLAS）的气体检测技术

1.3 光声光谱（PAS）气体检测技术的发展

1.3.1 石英增强光声光谱（QEPAS）气体检测技术

1.3.2 悬臂增强型光声光谱（CEPAS）气体检测技术的发展

1.3.3 基于光纤声波传感器的PAS气体检测技术

1.4 论文结构及主要内容

2 光声光谱气体检测技术基本理论

2.1 气体吸收光谱基本理论

2.1.1 气体红外吸收光谱技术

2.1.2 朗伯-比尔定律

2.1.3 谱线的线型与展宽

2.2 PAS气体检测技术的基本理论

2.3 本章小结

3 光纤悬臂梁麦克风的设计与制作

3.1 光纤悬臂梁麦克风声波感测原理

3.1.1 法布里-珀罗干涉仪原理

3.1.2 光纤F-P传感器

3.1.3 基于法布里-珀罗干涉仪结构的光纤悬臂梁麦克风

3.2 光纤悬臂梁麦克风物理特性的仿真分析

3.2.1 基于Ansys的悬臂梁固有频率分析

3.2.2 光纤悬臂梁麦克风的频率响应分析

3.3 光纤悬臂梁麦克风的制备

3.3.1 悬臂梁膜片的制备

3.3.2 光纤悬臂梁麦克风的装配

3.4 本章小结

4 基于光纤悬臂梁麦克风的光声光谱痕量氨气检测实验

4.1 光纤悬臂梁麦克风的解调与测试

4.1.1 光纤悬臂梁麦克风的解调

4.1.2 光纤悬臂梁麦克风的性能测试

4.2 基于光纤悬臂梁麦克风的光声光谱痕量氨气检测系统

4.3 基于光纤悬臂梁麦克风的光声光谱痕量氨气检测实验

4.3.1 氨气吸收谱线的选择

4.3.2 波长调制与谐波检测技术

4.3.3 光声信号激发单元的频率响应

4.3.4 不同浓度氨气的光声信号检测

4.3.5 系统的极限检测灵敏度

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郭珉

导师: 陈珂

关键词: 痕量氨气检测,光声光谱,光纤传感,光纤麦克风,悬臂梁

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,环境科学与资源利用,无线电电子学,无线电电子学

单位: 大连理工大学

分类号: X831;TN248;TN641

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.002472

总页数: 66

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