光谱吸收式气体传感器理论研究与系统设计

第一章 导论

1.1 引言

1.2 分子对电磁波的吸收理论

1.2.1 量子力学的相关理论

1.2.2 分子的稳定能态

1.2.3 分子与弱电磁辐射的相互作用

1.2.4 跃迁定则

1.2.5 振动——转动光谱

1.2.6 比尔——郎伯定律

1.3 吸收谱线、激光器及检测技术的选择

1.3.1 吸收谱线及激光器的选择

1.3.2 检测技术的选择

1.4 TDLAS—WMS技术的发展趋势及国内外的研究现状

1.5 作者的研究成果

第二章 TDLAS—WMS技术以及强度调制现象的研究

2.1 波长调制光谱技术的基本理论

2.2 n次谐波信号的同相分量的性质

2.2.1 消除强度调制后Inf,p(v)的同相信号的性质

2.2.2 伴随着强度调制的Inf,p(v)的同相信号的性质

2.3 消除强度调制的一般办法

第三章 光路与电路设计

3.1 光学部分与配气系统的设计

3.1.1 光学部分

3.1.2 气室的设计

3.2 电路部分设计

3.2.1 波形产生电路

3.2.2 方波锁相与倍频电路

3.2.3 激光器驱动电路的设计

3.2.4 激光器温度控制电路

3.2.5 光电转换电路

3.3 信号调理电路

3.3.1 背景噪声与强度调制信号的消除

3.3.2 同步信号累积电路

3.3.3 锁相放大电路

第四章 基于吸收光谱技术的气体传感器

4.1 对数变换—波长调制光谱在气体检测中的应用

4.1.1 实验系统

4.1.2 检测理论

4.1.3 实验结果与讨论

4.1.4 小结

4.2 平衡式光电探测器在痕量气体检测中的应用

4.2.1 实验系统

4.2.2 延迟差分检测的原理

4.2.3 实验结果与讨论

4.2.4 小结

参考文献

附录

第一章导论

1.1引言

不断增加的燃料成本U和政府针对燃烧系统出台的各项规定持续推动着能量转换效率12更高的燃烧装置3的研发。随着燃烧技术的逐步成熟，进一步提高燃烧效率4显得愈加困难，而理想地位于装置的反应区附近的燃烧诊断，对于评估各种不同设计结构的设备之间的微小燃烧效率差别，显得十分必要。除此之外，利用传感器反馈信号进行主动控制，改变系统的静态工作点和燃料流比例，对保持系统的最佳燃烧效率具有至关重要的意义。因为二氧化碳和水蒸汽是燃烧的主要产物，在一个反应体系中对它们进行测量能够最准确、最直接地反映出该体系中所发生的燃烧过程!的质量。由于温度在反应混合气的燃烧性质、反应速率以及污染物成分中扮演着重要角色，因此测量温度也具有重大意义。

在过去的四五十年中，可调谐二极管激光吸收光谱6已经逐步成长为一种在现实、严酷环境下测量气体参数的稳健、方便的方法。从激光器中射出的光通过气态测试样品之后，被探测器接收，通过目标吸收样本的吸收光谱模型，被气态测试样品吸收的光能够与气体温度、压力、样本浓度以及流速联系起来。

对于具有离散光谱吸收特征的目标物种(例如小分子和原子)，吸收现象在一个小光谱窗口范围内(几个波数)高度依赖于光源的发射波长，可以对激光波长进行正弦调制，而非均匀的吸收引起了探测器信号中的谐波分量，其频率是原始正弦调制频率的倍数。这些谐波分量可以采用锁相放大器1进行提取，滤除探测器信号中谐波之外的分量，从而大幅度降低激光器噪声8与电子噪声。然后，这些谐波分量可以与目标样本的光谱吸收模型相关联来推断待测气体性质，进而获得远高于直接吸收光谱的检测灵敏度。

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