基于TDLAS技術(shù)甲烷氣體檢測的溫度補(bǔ)償研究（可編輯）

1、基于TDLAS技術(shù)甲烷氣體檢測的溫度補(bǔ)償研究 分類號:胡 單位代碼:密級:學(xué) 號: 劃,/蔡 、辦呈碩士學(xué)位論文移愉觚黧測 藤啪 僻小聊術(shù)、早吧港姍刪腫赫纛論打低撇鬻歸 池賦產(chǎn)作者 姓 名學(xué)院名 稱融謄硪陶專業(yè)名 稱指導(dǎo)教 師防娘教授合作 導(dǎo) 師年月了曰原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所呈交的學(xué)位論文,是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下,獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。論文作者簽名: 期:蘭:糾星幽關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明本人同意學(xué)校保留或向國

2、家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的昂件和電子版,允許論文被查閱和借閱;本人授權(quán)山東大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文和匯編本學(xué)位論文。保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定論文作者簽名:赳導(dǎo)師簽名:渤日目 錄摘 要.第一章緒論一.課題研究背景和意義.課題研究背景?.課題研究的意義?.國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀?.技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀.溫度補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展現(xiàn)狀?.內(nèi)容和要求.主要內(nèi)容?.設(shè)計(jì)要求?.第二章技術(shù)氣體檢測的原理.技術(shù)光譜吸收原理?.氣體分子選擇性吸收原理.朗伯一比爾定律.吸收線型展寬?.甲烷吸收譜線?.紅外光譜?.甲烷光譜?.波長調(diào)制技術(shù)和諧波檢測技術(shù).波長調(diào)制

3、光譜學(xué)技術(shù).諧波檢測技術(shù)第三章基于技術(shù)甲烷氣體檢測模型?.基于技術(shù)甲烷氣體檢測系統(tǒng)簡介?.線型函數(shù)比較.模型?.第四章溫度補(bǔ)償算法研究?.溫度補(bǔ)償參數(shù)研究?.調(diào)制幅度系數(shù).過零點(diǎn)分析.溫度補(bǔ)償模型?.第五章系統(tǒng)測試.測試系統(tǒng)簡介?.測試結(jié)果與分析.常溫測試一.變溫測試一第六章結(jié)論.工作總結(jié).不足與展望?.參考文獻(xiàn)?.致謝?.攻讀學(xué)位期問發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和參加科研情況?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?. . .?. ?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?. 圩.?.?.?.?.?.;.?.?. . . .: .】【.:.摘 要甲烷

4、作為天然氣的主要成分,其易燃易爆的特性給工業(yè)和日常生活造成了很大的潛在危險(xiǎn),因此甲烷氣體的高精度原位測量對工業(yè)和生活安全、環(huán)境保護(hù)都具有重要的意義。目前,可調(diào)諧激光二極管光譜吸收技術(shù)己成為實(shí)現(xiàn)高精度甲烷氣體原位測量最重要的技術(shù)之一,不過,對于該技術(shù),氣體溫度的變化對檢測結(jié)果的影響已成為制約其發(fā)展的主要因素之一,因此設(shè)計(jì)高精度、穩(wěn)定性好、易實(shí)現(xiàn)的溫度補(bǔ)償算法是急需解決的關(guān)鍵問題,本論文提出了一種在不測量氣體溫度前提下的二次諧波溫度自補(bǔ)償算法。心波長,結(jié)合波長調(diào)制和諧波檢測技術(shù)提高檢測精度,證明了系統(tǒng)的可行性。論文還討論了溫度對系統(tǒng)的影響,建立含有溫度影響因素的模型,分析溫度變化造成的主要諧波波形

5、的變化和檢測結(jié)果的偏差。最后,對系統(tǒng)中的主要參數(shù)進(jìn)行分析,確定了溫度補(bǔ)償方法:在不測量氣體溫度的前提下,通過采用過零點(diǎn)作為特征點(diǎn)進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?降低系統(tǒng)響應(yīng)對氣體溫度的依賴性,提高檢測精度。本文在理論上,建立了溫度補(bǔ)償?shù)哪Ｐ?在.范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)了二次諧波中心峰值變化在弓級別以內(nèi),二次諧波中心峰值對溫度依賴性減小.倍。在測試樣機(jī)上對模型進(jìn)行測試,結(jié)果表明該模型具有一定的溫度補(bǔ)償效果,且算法易實(shí)現(xiàn)、穩(wěn)定性好。關(guān)鍵詞:可調(diào)諧二極管激光光譜技術(shù),甲烷,溫度補(bǔ)償,?, . , ?,., , . ,., ., , , , ., ,一一 . . .,:; 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文論第一章緒.課題研究背景和意義

6、.課題研究背景甲烷是產(chǎn)生溫室效應(yīng)的主要?dú)怏w之一,大氣中甲烷含量一般在.遠(yuǎn)低于,但是的溫室效應(yīng)作用是的倍?。甲烷是煤礦爆炸氣體瓦斯的主要組成成分,瓦斯主要?dú)怏w包括和兩種氣體,其中約占%,是煤礦安全事故中的主要因素之一【。因此,無論在環(huán)境保護(hù)方面還是在石油化工生產(chǎn)方面,對于甲烷的高精度濃度檢測必不可少,也一直是氣體檢測領(lǐng)域的前沿性課題。目前,主要的甲烷檢測產(chǎn)品仍然基于催化燃燒,該檢測方法精度低、穩(wěn)定性差,壽命短,且檢測結(jié)果極易受其他氣體的影響導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確,可靠性差。隨著近幾年半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)的迅速崛起,光譜吸收式的氣體檢測方法也逐漸成熟起來。其中,可調(diào)諧二極管激光光譜吸收技術(shù),簡稱發(fā)展較快,已成

7、為氣體檢測中的核心技術(shù)之一。該技術(shù)基于朗伯.比爾定律,主要利用激光二極管可調(diào)諧的特性,使激光器輸出光的頻率經(jīng)過待測氣體的吸收峰處,得到氣體的吸收光譜,分析光譜中的諧波波形對待測氣體進(jìn)行分析。目前,技術(shù)中,利用波長調(diào)制光譜技術(shù)、諧波檢測技術(shù)結(jié)合長光程測量最高可以達(dá)到級別【。該技術(shù)的特點(diǎn)為:靈敏度高,大多數(shù)系統(tǒng)的檢測限在級別,最高可以達(dá)到級別。選擇性強(qiáng),氣體分子吸收的特定性,通過對光源的調(diào)諧,可以更好的提高光譜的分辨率。實(shí)時(shí)性強(qiáng),響應(yīng)時(shí)間短,可以實(shí)現(xiàn)多組分氣體的原位測量。對氣體環(huán)境的要求低,可以對各種危險(xiǎn)、高溫和污染的環(huán)境下的氣體進(jìn)行檢測。山東大學(xué)碩士學(xué)位論文基于技術(shù)的高性能的特點(diǎn),針對于該技術(shù)開

8、展的氣體原位測量也得到很大的發(fā)展。.課題研究的意義基于技術(shù)對氣體進(jìn)行檢測中,其產(chǎn)品的主要應(yīng)用在工業(yè)制造、能源電力和環(huán)境監(jiān)測保護(hù)三個(gè)方面。其中,不同的行業(yè)應(yīng)用具有不同溫度和壓強(qiáng)范圍,主要的行業(yè)應(yīng)用的溫度壓強(qiáng)范圍如表?所示。表?主要行業(yè)應(yīng)用的溫度壓強(qiáng)范圍行業(yè)應(yīng)用 溫度范圍 壓強(qiáng)范圍 排放監(jiān)測 燃燒優(yōu)化 環(huán)境的安全監(jiān)測 過程控制 法電廠脫硝 法電廠脫硝 工業(yè)控制高壓從表中可以看出,除特殊高壓條件下的應(yīng)用,不同應(yīng)用行業(yè)的區(qū)別主要體現(xiàn)在氣體溫度范圍上。在系統(tǒng)中,由于氣體吸收線型與氣體溫度存在一定的依賴關(guān)系,當(dāng)溫度以及氣體濃度發(fā)生變化時(shí),譜線強(qiáng)度和線寬隨之發(fā)生改變,直接影響二次諧波信號線形與幅值,由此帶來

9、測量誤差。在不同氣體溫度條件下二次諧波波形變化如圖?。八。圖?不同氣體溫度條件下的二次諧波變化通過理論計(jì)算分析,常溫條件下一,系統(tǒng)對甲烷氣體的檢測誤差大約在%;工業(yè)條件下,系統(tǒng)對甲烷氣體的檢測誤差大約在%?？梢钥闯?氣體溫度的變化對氣體原位測量的結(jié)山東大學(xué)碩士學(xué)位論文果有較大影響,成為制約產(chǎn)品發(fā)展的因素之一。為了保證產(chǎn)品原位測量的精度和準(zhǔn)確性,需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。.國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀.技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀可調(diào)諧激光二極管光譜吸收技術(shù)最早是在世紀(jì)年代由和等提出,技術(shù)經(jīng)歷了近年的發(fā)展,已經(jīng)逐漸在大氣監(jiān)測,污染氣體監(jiān)控以及痕量氣體檢測等方面有相應(yīng)高精度產(chǎn)品。特別是在近十幾年來,伴隨著激光器可調(diào)諧性的突破發(fā)展,以及

10、激光器體積變小和成本降低,也逐步使得技術(shù)逐漸在工業(yè)和環(huán)境監(jiān)控等方面產(chǎn)生重大突破。隨著技術(shù)的逐漸成熟化,基于該技術(shù)的產(chǎn)品和研究在數(shù)量和質(zhì)量上都有很大的提高。國外的技術(shù)發(fā)展較早較成熟,工業(yè)型的產(chǎn)品也較多,其中,主要生產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)品的的公司如表.所示。表?國外主要生產(chǎn)產(chǎn)品的公司序號 英文名稱,. 公司科技公司,.西門子股份公司.通用基礎(chǔ)設(shè)施集團(tuán)傳感器公司.挪威公司日本橫河電機(jī).加拿大優(yōu)勝.英國仕富梅集團(tuán).美國漢斯.公司. 科技公司.韓國科技公司. 施克公司. 公司山東大學(xué)碩士學(xué)位論文上述的公司均有相應(yīng)的工業(yè)產(chǎn)品并且具有一定的市場影響力,大多數(shù)的產(chǎn)品能夠達(dá)到比較高的精度級別。國外的主要研究機(jī)構(gòu)有德國研究所

11、和美國大學(xué),兩大研究機(jī)構(gòu)一直處于技術(shù)研究的領(lǐng)先位置。其中,研究所通過將技術(shù)和長光程技術(shù)結(jié)合的測量方式使得氣體測量精度達(dá)到級別。圖一 兩門子的產(chǎn)品 和囔漆薷薏鎏;意煮警。蠢 鬻繁茂飄一鬻驢一群和圖施克的產(chǎn)品技術(shù)在國內(nèi)的雖然起步較晚,但是發(fā)展迅猛。主要的研究機(jī)構(gòu)有中科院安徽光機(jī)所和聚光科技杭州,主要的產(chǎn)品包括基于技術(shù)的汽車尾氣在線檢測系統(tǒng)以及基于的便攜式和遙測儀等產(chǎn)品。國內(nèi)的浙江大學(xué)、天津大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)等重點(diǎn)大學(xué)都在技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)研究并取得一定的成果,推動(dòng)了我國在該項(xiàng)技術(shù)上的發(fā)展。.溫度補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展現(xiàn)狀作為技術(shù)中的主要問題之一,針對溫度補(bǔ)償方面的學(xué)術(shù)研究和產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)有一定的發(fā)展。目前,針對

12、于技術(shù)中氣體溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ饕袃煞N:山東大學(xué)碩士學(xué)位論文溫度傳感器測量溫度值該方法通過硬件電路測量氣體溫度值,在算法上進(jìn)行溫度補(bǔ)償【】。目前,該方法是進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)淖钪庇^可行的方法之一,成為應(yīng)用最廣泛的溫度補(bǔ)償方法【,該方法的缺點(diǎn):?由于系統(tǒng)一般需要將系統(tǒng)與氣池進(jìn)行分離,通過傳感器測量的方法會(huì)造成很大的不便。?電路中需要增加相應(yīng)的控制與處理系統(tǒng),整個(gè)測量裝置結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜,降低了系統(tǒng)可靠性。?傳感器工作條件有限,在惡劣的工作環(huán)境中,傳感器的檢測精度會(huì)降低,使用壽命也會(huì)縮短。氣體檢測現(xiàn)場.系統(tǒng)圖. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)同時(shí)測量濃度和溫度同時(shí)測量待測氣體兩條吸收譜線,分別用來測量氣體溫度和氣體濃度,進(jìn)行溫度補(bǔ)

13、償】。這種方法是實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)男路椒?可以擺脫溫度傳感器帶來的不便】。該方法也存在缺點(diǎn):?分別測量氣體溫度和濃度,需要測量多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測量,計(jì)算量加大,系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性會(huì)降低。?該方法適用于單一光路均勻的條件下,不適用于某些長光程、氣體溫度在光路上分布不均勻的情況。本論文中,所進(jìn)行的溫度補(bǔ)償研究是在不進(jìn)行氣體溫度測量的前提下,使用二次諧波自身攜帶的溫度和濃度的信息進(jìn)行自補(bǔ)償?shù)乃惴ā?內(nèi)容和要求.主要內(nèi)容課題主要針對技術(shù)中的溫度補(bǔ)償問題進(jìn)行分析研究,提出了有效的溫度補(bǔ)償算法,建立了模型并進(jìn)行測試。具體工作為:山東大學(xué)碩士學(xué)位論文分析課題研究背景和意義,分析課題的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,提出設(shè)計(jì)要求。介紹技術(shù)氣

14、體檢測原理。首先,分析技術(shù)進(jìn)行氣體線型展寬。然后,根據(jù)數(shù)據(jù)庫,對甲烷光譜進(jìn)行分析,確定甲烷氣體檢測中心波長。最后,討論波長調(diào)制和諧波檢測技術(shù),提高技術(shù)的檢測精度。建立技術(shù)甲烷氣體檢測的模型。介紹系統(tǒng)的工作流程,討論溫度對光路和電路方面的影響,確定氣體溫度變化的補(bǔ)償為主要討論的問題。在軟件中,建立含有氣體溫度影響因子的模型,分析溫度變化造成的主要諧波波形的變化和檢測結(jié)果的偏差,為溫度補(bǔ)償模型奠定基礎(chǔ)。分析模型中的主要參數(shù),確定溫度補(bǔ)償?shù)乃悸?建立系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償模型,對補(bǔ)償結(jié)果進(jìn)行分析。系統(tǒng)測試,對補(bǔ)償結(jié)果進(jìn)行分析?？偨Y(jié)和展望。.設(shè)計(jì)要求本課題的設(shè)計(jì)要求包括理論和測試兩個(gè)方面:在理論方面,建立線型

15、函數(shù)比較模型、與實(shí)際系統(tǒng)相符的模型和溫度補(bǔ)償模型三個(gè)模型,要求常溫條件一 下,溫度補(bǔ)償后的二次諧波中心峰值隨溫度變化范圍在 以內(nèi);在測試方面,主要測試內(nèi)容:對樣機(jī)的性能測試、溫度對系統(tǒng)影響測試和溫度補(bǔ)償效果測試,要求溫度補(bǔ)償算法在樣機(jī)上有一定的效果。山東大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章技術(shù)氣體檢測的原理.技術(shù)光譜吸收原理氣體檢測系統(tǒng),全稱可調(diào)諧激光二極管光譜吸收技術(shù),主要基于朗伯比爾氣體吸收定律,結(jié)合激光二極管波長可調(diào)諧的特性以及諧波檢測技術(shù),實(shí)現(xiàn)氣體濃度的高精度檢測【】。.氣體分子選擇性吸收原理氣體檢測系統(tǒng)主要是依據(jù)氣體分子對光譜的選擇性吸收理論。產(chǎn)生這種現(xiàn)象本質(zhì)上的原因是氣體分子能量的量子化特征。主

16、要表現(xiàn)為分子的躍遷理論:原子從穩(wěn)定的基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)該狀態(tài)不穩(wěn)定所吸收的能量和波長頻率公式如下:?:幾式中,為普朗克常量.。., 為光速:/】。在整個(gè)分子躍遷的過程中,原子只能吸收與能級之差相等能量的光子,經(jīng)過氣體分子吸收之后就形成了該氣體的吸收光譜。其中,分子的能量主要由三部分組成,分子總能量公式如下:?易其中,歷代表著分子中電子、。分子內(nèi)部的三種運(yùn)動(dòng)互相影響,而多原子分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜,能級多,躍遷的光譜數(shù)也會(huì)很多,吸收光譜復(fù)雜很多】。當(dāng)原子吸收量躍遷到激發(fā)態(tài)后,狀態(tài)很不穩(wěn)定,停留短暫時(shí)間后將重新回到基態(tài),這過程中將釋放出所吸收的光子,發(fā)射光子的過程中是自發(fā)輻射,方向是按照立體角角度發(fā)射,不一定

17、按照原方向反射回去,相當(dāng)于原來的光子發(fā)生瑞利散射四。山東大學(xué)碩士學(xué)位論文蕤綴 一。鷥潼綴圖?分子躍遷理論示意圖根據(jù)氣體分子的選擇性吸收原理,從理論上說明了,可以通過光譜吸收的方法實(shí)現(xiàn)對待測氣體的定性檢測。物質(zhì)對光的吸收一直受到科學(xué)家的注意并進(jìn)行相關(guān)的研究,而吸光度的定量關(guān)系計(jì)算中的一個(gè)重要的歷史突破就是朗伯.比爾定律,又稱比爾定律、布格朗、比耳定律、比爾.朗定律,是光吸伯一比爾定律?。收的基本定律朗伯一比爾定律的發(fā)展主要有兩段歷史:一、皮埃爾?布格 和約翰?海因里希?朗伯 分別在年和年闡明了物質(zhì)對光的吸收程度和吸收介質(zhì)厚度之問的關(guān)系;二、年奧古斯特?比在之前基礎(chǔ)上提出光的吸收程度和吸光物質(zhì)濃度

18、之間具有類似爾關(guān)系,兩者結(jié)合起來就得到有關(guān)光吸收的基本定律【】。該定律適用大部分基于光譜吸收的技術(shù),也是氣體檢測系統(tǒng)最基本的理論支柱。朗伯一比爾定律有多種公式表達(dá)形式,以下公式是最廣泛應(yīng)用于氣體吸收的公式之一。?.”妒其中,?透射光強(qiáng),即光通過氣體之后的強(qiáng)度,單位:;?入射光強(qiáng),即激光發(fā)出的初始強(qiáng)度,單位:;口?摩爾吸收系數(shù),單位:.;尸?氣體壓強(qiáng),單位:;?氣體的濃度值,單位:.;三?光程,即光通過氣體的垂直長度,單位:;山東大學(xué)碩士學(xué)位論文§薹;?、鞠孽蔫;圈 圖?朗伯一比爾定律公式圖示公式.對濃度進(jìn)行換算得到以下公式,.:?從公式可以看出,氣體壓強(qiáng)尸、光程三可以測量獲得,特定氣

19、體在特定頻率下的吸收系數(shù)一定,則通過測量入射光強(qiáng)和透射光強(qiáng)的比值可以得到待理論上證明了對氣體定量檢測的可行性。在公式?中,摩爾吸收系數(shù)的計(jì)算公式如下:?口,式中,為譜線強(qiáng)度,為線型吸收函數(shù)。其中,常用氣體的吸收譜線強(qiáng)度可以通過?,高分辨率分子透射吸收數(shù)據(jù)庫,里面記錄了近多種氣體的光譜參數(shù)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢獲得,而一定溫度條件下的譜線強(qiáng)度則可以通過下面的公式計(jì)算獲得:一陽瓦躲。哼百焉其中,為摩爾分子量函數(shù),為分子躍遷底層能量,為普朗克常量,為波爾茲曼常量,為光速,是瓦溫度下的光譜強(qiáng)度【】。.吸收線型展寬在公式.中的,代表吸收譜線的歸一化線型函數(shù)單位:,該函數(shù)說明了分子在對不同頻率光子的吸收強(qiáng)度。根據(jù)

20、分子選擇性吸收理論中的分子躍遷理論,分子的吸收光譜的線型應(yīng)該是標(biāo)準(zhǔn)的脈沖線型無寬度,而在山東大學(xué)碩士學(xué)位論文實(shí)際中,分子的吸收線型具有很窄的寬度頻率或波長范圍如下圖所示:、鯫五理怒線型 洳實(shí)際線撰圖光譜的線型函數(shù)在該線型函數(shù)中,一個(gè)重要的譜線參數(shù)就是譜線的線寬或譜線半寬值, ,即當(dāng)光吸收強(qiáng)度降到中心頻率吸收強(qiáng)度,的一半的時(shí)候所對應(yīng)的頻率間隔呸一。譜線的半寬值會(huì)隨著溫度和壓強(qiáng)的變化而發(fā)生變化,可以計(jì)算獲得也可以從譜線數(shù)據(jù)庫中查詢獲得【】。圖?光譜的線型函數(shù)、譜線半寬圖不譜線的半寬值表示了譜線具有一定的寬度而非理想中垂直的直線,造成吸收光譜展寬的原因很多,包括能級之問的能量差不是一個(gè)精確的常數(shù),事

21、物本身的不確定性,以及受到環(huán)境的影響,與量子力學(xué)中的不確定性原理,又稱“測不準(zhǔn)原理相符合吲。其中,主要的光譜展寬原因有三種:自然展寬、碰撞壓力展寬和多普勒展寬。自然展寬在沒有受到外界因素影響的條件下,分子的譜線仍然具有一定的寬度,這種展寬是自然展寬。引起自然展寬的主要原因是自發(fā)輻射的不穩(wěn)定性,躍遷后在激發(fā)態(tài)能級一般會(huì)有很短的停留,設(shè)粒子在該能級上的平均時(shí)間為丁。設(shè)為能級之問的自然展寬,根據(jù)粒子在能級上的不確定性原理【】,可得到以下公式:衄.丁:旦山東大學(xué)碩士學(xué)位論文從上式可以看出,粒子的平均壽命越長,譜線的自然展寬越小。每個(gè)能級都具有相應(yīng)的自然展寬,當(dāng)粒子發(fā)生躍遷的時(shí)候,設(shè)在和兩個(gè)能級之間發(fā)生

22、躍遷,兩能級的自然展寬分別為和蛆,得到的譜線寬度如下:掣譜線的中心頻率為:芻÷堡,將公式.帶回?中,可以得到以下公式:.:.一一其中,就是譜線的自然展寬,可以從譜線數(shù)據(jù)庫中查詢獲得,該值取決于分子自身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),相同分子不同的譜線,由于所處的能級不同,也具有不同的自然展寬值。將公式進(jìn)行歸一化處理之后得到的線型函數(shù)如下:協(xié)州爐等。五萬再從上式可以看出,譜線的自然展寬所表現(xiàn)出來特性與洛倫茲線型函數(shù)相符。碰撞壓力展寬在分子內(nèi)部,各種粒子在不停的進(jìn)行著各種運(yùn)動(dòng),而粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)由于氣體的外界條件發(fā)生變化壓強(qiáng)、溫度等造成粒子之.互碰撞加強(qiáng)不可避免,而粒子發(fā)生碰撞后,粒子之間的能量發(fā)生傳遞,導(dǎo)致處

23、于激發(fā)態(tài)的粒子發(fā)生躍遷,平均壽命縮短,進(jìn)而吸收譜線也變寬,這種譜線變寬稱為碰撞壓力展寬【。粒子碰撞過程中,由于發(fā)生碰撞的粒子不同可以分為洛倫茲碰撞展寬及赫魯茲馬克碰撞展寬兩種。洛倫茲碰撞展寬是指被測分子和其它類型的粒子碰撞引起的變寬。赫魯茲馬克碰撞展寬是指和同種粒子碰撞而引起的變寬,只有在被測元素濃度高時(shí)才起作用,對甲烷甲烷在空氣中爆炸范圍為%的檢測過程中可忽略不計(jì)】。因此,碰撞壓力展寬造成譜線變寬的程度,主要跟粒子之問運(yùn)動(dòng)和碰撞的劇烈程度有關(guān)。設(shè)粒子的平均碰撞時(shí)間或者是粒子在激發(fā)態(tài)的時(shí)間為,那么光譜加寬的公式為:山東大學(xué)碩士學(xué)位論文.%磊推出碰撞壓力展寬歸一化后的線型函數(shù),如下:。?萬咿等從

24、上式可以看出,碰撞壓力展寬的線型函數(shù)同樣為洛倫茲函數(shù)。多普勒展寬分子中時(shí)刻都進(jìn)行著無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng),在運(yùn)動(dòng)和靜止的粒子上接收到的頻率也展寬的線型函數(shù)如下:.啦毒翥一面嘞造成多普勒展寬的主要原因就是分子的熱運(yùn)動(dòng),而影響分子熱運(yùn)動(dòng)的因素只與溫度有關(guān)。線型函數(shù)為高斯函數(shù)。在實(shí)際中,分子的吸收光譜中,多種展寬同時(shí)存在,線型函數(shù)表現(xiàn)為洛倫茲函數(shù)和高斯函數(shù)的卷積形式,稱為福依特,又叫佛克脫函數(shù)線型函數(shù),計(jì)算復(fù)雜但是比較符合實(shí)際的氣體分子吸收模型,表達(dá)公式如下:刪嘞哮蔫其中,參數(shù)口、是包含洛倫茲半寬%和高斯半寬的表達(dá)式,表現(xiàn)出函數(shù)與其他兩個(gè)線型函數(shù)的關(guān)系:口:型翌三:壘絲:? 一 憶一薩?面肛面一從上述公式以及

25、展寬發(fā)生原因上可以看出,在高壓條件下,%,吸收譜線變寬主要受碰撞壓力展寬的影響,線型函數(shù)趨近于洛倫茲函數(shù);在高溫條件下,睇;,吸收譜線變寬主要受分子熱運(yùn)動(dòng)引起的多普勒展寬的影響,線型函數(shù)趨向于高斯函數(shù);而在高壓高溫條件下,兩種展寬都發(fā)生作用,并且兩者所造成的影響相近,這是吸收線只能采用復(fù)雜的函數(shù)來表示。洛倫茲函數(shù)和高斯函數(shù)都是解析函數(shù),計(jì)算直接簡單,而函數(shù)是一種比較復(fù)雜的卷積函數(shù),運(yùn)算量很大網(wǎng)。?山東大學(xué)碩士學(xué)位論文表? 中包含的種氣體列表氣體分子 吸收譜線數(shù)量 氣體分子吸收譜線數(shù)量數(shù)據(jù)庫編號 數(shù)據(jù)庫編號. ,從吸收光譜數(shù)據(jù)庫中,不僅能夠確定需要的吸收譜線的中心頻率波數(shù),還可以獲得譜線強(qiáng)度、自

26、展寬、空氣展寬、溫度指數(shù)等模型建立所需要的重要參數(shù)。.紅外光譜電磁波譜按照頻率分段,具體位置如圖。數(shù)艘字密射綬 辯紱 霹冕光 茺線電教 一 一圖電磁波譜氣體檢測譜線主要分布在紅外部分,波長范圍在. ,紅外線具有電磁波基本特征,作為存在最廣泛的電磁波,自然界的所有物體都會(huì)隨著自身分子原子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生紅外線,紅外線也具有很強(qiáng)的熱效應(yīng)吲。紅外光譜根據(jù)波長也會(huì)進(jìn)行分段,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分為:近紅外線:.、中紅外線:和遠(yuǎn)紅外線: /。氣體分子的吸收光譜多集中于近紅外和中紅外段,結(jié)合現(xiàn)在的激光技術(shù)和光檢測技山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 ¨ 圖甲烷分子在.處吸收光譜帶圖 “之?dāng)?shù)量級,并且,圖中可以看出.吸

27、收譜線之間重合較少,相互之間影響較弱。此外,綜合甲烷分子在兩處與其他氣體吸收線的重合程度,.處,長,主要參數(shù)和系數(shù)譜線圖如下:山東大學(xué)碩士學(xué)位論文表? .處甲烷吸收線主要參數(shù)參數(shù) 含義 值 單位.真空中的波數(shù)一. ?！孔V線強(qiáng)度 .一彳?系數(shù) . 一.空氣展寬 .一。.白展寬 .?.低能態(tài)” 一.溫度系數(shù) 無空氣展寬的壓力漂移 .一。.波長調(diào)制和諧波檢測技術(shù)氣體吸收部分主要包括激光器、氣室和光檢測器。激光器發(fā)出激光經(jīng)過待測氣體吸收后在氣室完成,光檢測器將透射光信號接收交給處理器,該部分的示意圖如下。圖? 氣體吸收部分示意圖在系統(tǒng)中,多采用波長調(diào)制光譜學(xué)技術(shù)和諧波檢測技術(shù)相結(jié)合的方式提高氣體檢測精

28、度。.波長調(diào)制光譜學(xué)技術(shù)控制激光器輸出光頻率有兩種方式:溫度控制和電流控制。在系統(tǒng)山東大學(xué)碩士學(xué)位論文山東大學(xué)碩士學(xué)位論文驅(qū)動(dòng)電流上,激光器就會(huì)發(fā)出特定頻率的光,經(jīng)過氣室中的甲烷氣體吸收之后,利用光探測器把透射光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電信號,進(jìn)行濾波等處理交給,經(jīng)過噪聲信號處理進(jìn)行處理,最后得到透射光強(qiáng)中的諧波信號。該過程中,激光從激光器產(chǎn)生經(jīng)過甲烷氣室氣室兩端經(jīng)過長光纖連接到光探測器部分屬于光路部分,剩余部分為電路部分。.溫度對電路部分影響系統(tǒng)信號處理都由系統(tǒng)自身完成不借助于其他外部儀器。因此,該系統(tǒng)的電路部分是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分,除了要完成各種復(fù)雜信號運(yùn)算和處理,還要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的用戶交互,與外部的通

29、信以及激光器溫度控制和激光器的正弦信號調(diào)制。因此,系統(tǒng)對甲烷氣體檢測達(dá)到級別跟電路部分完美的設(shè)計(jì)、信號的完整處理以及算法的有效運(yùn)算密不可分。圖?為系統(tǒng)的電路部分實(shí)物圖。圖系統(tǒng)的電路部分實(shí)物圖電路部分設(shè)計(jì)緊密,所使用的芯片和元件都進(jìn)行了較為嚴(yán)格的方案選型,布局合理,內(nèi)部抗干擾能力很強(qiáng),降低了系統(tǒng)進(jìn)行信號處理的計(jì)算量。系統(tǒng)中電路部分的框圖如.所示。山東大學(xué)碩士學(xué)位論文圖 系統(tǒng)的電路部分框圖電路部分主要包括:電源模塊、主控模塊、顯示模塊、通信模塊、溫控模塊、信號處理模塊。電源模塊作為系統(tǒng)的基本模塊,是系統(tǒng)必不可少的一部分,主要為系統(tǒng)提供高穩(wěn)定性、高效率、低噪聲的電壓,保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。主控模塊作為電

30、路部分核心,主要包括:進(jìn)行信號產(chǎn)生和信號處理的芯片和負(fù)責(zé)邏輯輸入輸出的芯片,主控模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的中央處理器,負(fù)責(zé)系統(tǒng)的主要算法的運(yùn)算工作,激光器調(diào)制波形信號以及透射光強(qiáng)的運(yùn)算,以及周圍模塊的通信工作。顯示模塊主要使用的是真彩屏實(shí)現(xiàn)濃度信息通過直觀且美觀的方式進(jìn)行顯示,觸摸按鍵則使系統(tǒng)具有更好的交互特性。通信模塊主要進(jìn)行上位機(jī)的通信預(yù)留模塊,可以允許上位機(jī)使用特定上位機(jī)程序讀取系統(tǒng)的寄存器狀態(tài)、設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù)以及讀取算法處理數(shù)據(jù),便于在上位機(jī)進(jìn)行優(yōu)化分析。溫控模塊是為了保證激光器電流控制時(shí),溫度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)不對電流控制產(chǎn)生影響。信號處理模塊主要包括產(chǎn)生激光器調(diào)制信號的和透射光強(qiáng)信號采集的模

31、塊,兩模塊都直接與主控模塊進(jìn)行通信。電路部分各個(gè)模塊之間信號傳輸抗干擾性強(qiáng),完整性高,整體設(shè)計(jì)合理,保證了甲烷氣體檢測結(jié)果高精度、實(shí)時(shí)性和高穩(wěn)定性。其中,溫度對電路部分的影響主要包括兩個(gè)方面:一、溫度對激光器調(diào)制的影響,激光器控制方式分為電流控制和溫度控制,兩種方式都能夠造成激光器輸出光頻率的改變,由于溫度控制的精度較低,本系統(tǒng)采用的是電流控制方式,因此,在進(jìn)行激光器調(diào)制的過程中,需要保證激光器的溫度盡可能保持不變,經(jīng)過計(jì)算為了使檢測結(jié)果達(dá)到級別,激光器的溫度變化需要在千分之一攝氏度級別以內(nèi),電路部分的溫控模塊可以保證溫度激光器溫度變化在要求范圍之內(nèi),山東大學(xué)碩士學(xué)位論文保證檢測結(jié)果;二、溫度

32、對電路本身元件影響,電路是由很多的電子元件組成,而大部分電子元件本身都有溫度特性,溫度變化時(shí),自身特性發(fā)生變化,這樣會(huì)造成系統(tǒng)的偏差,主要的影響在激光器驅(qū)動(dòng)部分,當(dāng)元件特性發(fā)生變化時(shí),激光器驅(qū)動(dòng)電流的微弱變化都會(huì)導(dǎo)致輸出光頻率的變化造成失真,這種影響下,溫度變化范圍一般較小且過程變化緩慢,一般采用掃描峰值或者多點(diǎn)加權(quán)平均的方法,降低溫度影響。溫度對電路部分的影響多造成激光器輸出光頻率的變化,反應(yīng)到光譜圖上就是造成峰中心偏移的現(xiàn)象,如圖?所示,該圖為在恒溫箱多次測量匯總后的系統(tǒng)曲線。圖?二次諧波在不同系統(tǒng)溫度下變化的實(shí)際曲線系統(tǒng)的電路部分比較復(fù)雜,但溫度對電路部分的影響都有了較好的解決方案,在論

33、文中將不再討論溫度對電路部分影響補(bǔ)償?shù)姆椒ā?溫度對光路部分影響系統(tǒng)的光路部分主要包括激光器、光探測器和氣室三部分。主要完成的功能是輸出特定頻率的激光,穿過氣室中的甲烷氣體經(jīng)過吸收后,經(jīng)過光探測器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。圖.為系統(tǒng)光路部分示意圖。茹?一三圖 系統(tǒng)光路部分示意圖光路部分的組成模塊較少,工作流程也較為簡單,下面將對三部分分別進(jìn)行山東大學(xué)碩士學(xué)位論文介紹。激光器在技術(shù)中,核心元件就是可調(diào)諧二極管激光器,這種光源可以通過注入電流或者改變溫度來改變激光器的輸出光頻率。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展,半導(dǎo)體激光器行業(yè)也得到很大發(fā)展,產(chǎn)生很多產(chǎn)品分支,從結(jié)構(gòu)分為:法布,里一珀羅?型激光二極管、可調(diào)諧

34、分布反饋激光器、分布布拉格反射鏡激光器 ,、垂直,矛腔半導(dǎo)體激腔面發(fā)射激光器? ??？紤]到激光器的體積小、穩(wěn)光器 ,定性好等優(yōu)點(diǎn),故選為光源。根據(jù)論文選擇的甲烷吸收譜線中心峰波長為.,故采用型號為:.?,用于瓦斯氣體傳感器的長波長分布反饋激光器。主要光電參數(shù)如表?,激光器參數(shù)圖、實(shí)物圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖。表? 瓦斯。氣體傳感器的長波長分布反饋激光器的光電參數(shù)參數(shù)名 符號 最小 典型 最大 條件單位 閡值電流 直流。工作電流直流入 中心波長 直流。?./。 直流波長溫度系數(shù). /波長電流系數(shù) 邊模抑制比田已瑚 到 一蔫薩擴(kuò)曠哭羔 鄉(xiāng)驀藿“曲穆,鼉芯野甲婉用 微米激光器圖激光器參數(shù)圖、實(shí)物圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖激光器內(nèi)部除了含有激光二極管用于產(chǎn)生激光之外,還含有一個(gè)小型的和一個(gè)熱敏電阻,主要是保證激光器穩(wěn)定工作的同時(shí)可以起到激光器溫度微調(diào)的