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甲烷传感器

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基于中红外半导体激光器的气体检测系统的研制

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使用中红外半导体激光器和三种不同的气体检测方法(直接吸收光谱技术,可调谐二极管激光吸收光谱技术和光声光谱技术)对甲烷,一氧化碳和乙烷气体进行了检测,并对各个系统的检测灵敏度和稳定性等性能进行了测试。首先,介绍了使用间带级联激光器(ICL)和可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的甲烷和乙烷气体检测系统。甲烷和乙烷系统均使用了多反射气体吸收气室和可工作在室温条件下的连续波、分布反馈间带级联激光器。其中,甲烷传感器使用了折叠式双层光路结构设计,配合使用良好的电源管理,整个传感器的尺寸小至32×20×17 cm~3,电功率消耗减至6W。此外,使用多项式拟合方法移除光谱扫描的基线,简化了数据处理并提高了数据采集的效率。结果显示,积分时间为1-s时,此传感器对甲烷气体的检测灵敏度为10.5 ppb,积分时间增至60-s时,最小探测灵敏度可被提高至1.4 ppb。使用此传感器对环境中甲烷气体进行连续七天的监测,结果显示,此传感器具有良好的稳定性和可靠性。乙烷传感器则采取了单层光路结构设计,其物理尺寸为35.5×18×12.5 cm~3,包括一个波长在3.34μm的连续波间带级联激光器,光程为54.6米(物理尺寸为17×6.5×5.5cm~3)的多反射气体吸收气室。使用此ICL可以在乙烷基频吸收带锁定到位于2996.88 cm-1的无干扰乙烷吸收线。通过使用2f/1f-WMS技术,减小了光源波动的干扰,提高了传感器的检测灵敏度和稳定性。积分时间为4-s时,此传感器对乙烷气体的测量灵敏度分别为~1.19 ppb(2f-WMS)和~1.05 ppb(2f/1f-WMS)。而且,传感器的灵敏度可以被分别提高到299 ppt(@108s使用2f-WMS方法)和239ppt(@208s使用2f/1f-WMS方法)。此外,分别使用这两种检测方法对传感器进行了动态测量实验,以确定乙烷传感器的准确度和精确度。然后,介绍了基于间带级联激光器和光声光谱(QEPAS)技术的乙烷气体检测系统。完成了对乙烷气体的浓度标定、系统灵敏度确定和稳定性测试等相关工作。通过对此传感器进行优化,在气压为100 Torr,调制深度为0.106 cm-1时,得到了传感器输出的最大二次谐波信号。此外,通过对系统背景噪声进行连续一个小时的测量,得到了系统平均噪声约为0.347 V,此时得到的信噪比为28.56,由此确定,此传感器对乙烷气体的探测灵敏度为~39.9 ppb。最后,介绍了基于量子级联激光器(QCL)和直接吸收光谱技术的甲烷和一氧化碳气体检测系统。根据红外光谱吸收原理,利用甲烷(CH4)气体分子在7.5μm处的基频吸收特性,设计了一个使用QCL和多反射气体吸收气室(MPC)的甲烷气体传感器。此传感器使用的QCL的中心波长为7.5μm,并带有热电致冷功能。使用了一种紧凑型MPC(40 cm长,800 ml采样容积),使得系统光程达到16米。此外,利用差分吸收光谱检测原理,有效地改善了光束质量,降低了由光源波动引起的噪声,提高了仪器的检测灵敏度。通过对不同浓度的甲烷气体进行多次检测,该仪器的稳定性能良好。一氧化碳传感器使用了与上述甲烷传感器类似的系统配置和检测方法,它使用的QCL的中心波长是4.75μm,并在波数为2103.3 cm-1的位置完成了对一氧化碳气体浓度的检测工作,最终实现了对CO气体浓度的检测下限为5 ppm。而且,此部分还介绍了一个低温漂量子级联激光器驱动电源,文中详细分析了由电源中各集成芯片和阻性元件的温度变化所产生的对激光器驱动电流的影响,并在相应软件补偿的作用下,可以减小环境温度变化对QCL的工作稳定性和鲁棒性产生的影响。

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