可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）中频率调制光谱的理论研究

论文总字数：28152字

摘 要

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)以其高测量精度，快速响应以及高特征性在燃烧诊断和大气环境检测中起到了关键作用。本文针对TDLAS中的频率调制技术(FMS)的做了理论分析，介绍了TDLAS技术的原理和FMS技术的基础知识，对FMS技术中单频调制和双频调制谐波波形做Matlab仿真，获得在不同浓度X、不同调制频率f_m、不同调制系数M、以及不同气体总压力P下的FMS谐波波形，为实验设备选择和实验参数设置提供理论指导。

通过对FMS技术谐波波形模拟分析可知，在低气体浓度下，单频调制的一次谐波或二次谐波峰值和双频调制一次谐波峰值与气体浓度成正比，气体浓度越大，探测信号越强。调制频率f_m越大，谐波的峰值越大，谐波中峰与峰之间的间隔越大，因此调制频率不应过小，否则探测信号太弱，测量精度低。调制系数M的影响比较复杂：对单频调制，调制系数M增大，一次谐波峰值先增大再减小；对双频调制，随着调制系数M增大，峰值减弱，一次谐波峰个数增加聚集在中心频率处和1.5Mf_m倍处。压力对谐波的影响可以从其对谱线展宽和吸收率函数的影响分析，在低压情况下（谱线展宽较小），压力P增加会使一次谐波峰值增加，但是在大部分实际测量的压力下（谱线展宽较大），压力P增加，一次谐波峰值会减小。此外，模拟了频率调制技术中存在的剩余幅度调制，分析了在不同情况下剩余幅度调制对一次谐波波形的影响。

关键词：可调谐半导体激光吸收光谱技术；频率调制技术；剩余幅度调制；模拟仿真

Abstract

Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) increasingly plays a key role in combustion diagnostics and atmospheric environmental detection with its high measurement accuracy, fast response and high characterization. This thesis introduces the principle of TDLAS and demonstrates the theoretical analysis of frequency modulation spectroscopy (FMS) in TDLAS. The simulation by Matlab ,including single-tone modulation and two-tone modulation in FMS technology, obtains the waveforms of the harmonics under different concentration X、modulation frequency f_m、modulation index M and total pressure P, which can provide the instruction of choosing the devices and setting the parameters of experiments.

The simulation of the waveforms of harmonics indicates that: at low gas concentrations, the first or second harmonic peak value of the single-tone modulation and the first harmonic peak value of the two-tone modulation are both proportional to the gas concentration. The higher the gas concentration, the stronger the detected signal. The larger the modulation frequency is, the larger the peak value of the harmonic is, and the larger the interval between the peaks of the harmonic is. Therefore the modulation frequency should not be too small, otherwise the detection signal is too weak to be distinguished. The influences of modulation index M was found to be more complicated: For single-tone modulation, the first harmonic peak value increases with the modulation index at first, and then decreases; For two-tone modulation, as the modulation index increases, the peak value decreases, but the number of first harmonic peaks increases at the center frequency and 1.5Mf_m. The influences of pressure P can be analyzed by the line broadening and absorption function. Under low pressures condition (the value of full width of half maximum(FWHM)is small), the increase in pressure leads to the increase of the peak value of the first harmonic, but under most practical conditions(the FWHM is large), the peak value of the first harmonic will decrease with the pressure. The residual amplitude modulation (RAM) of FMS under different conditions was also simulated to analyze the effect of RAM on the first harmonics.

KEY WORDS: TDLAS Simulation FMS RAM

目 录

第一章 绪论 1

1.1背景意义 1

1.2 TDLAS技术的发展和研究现状 2

1.3 本文主要工作 4

第二章 TDLAS技术原理简介 6

2.1吸收光谱的基本原理 6

2.1.1比尔朗伯定律 6

2.1.2 吸收线强 6

2.1.3 线型函数 7

2.2 TDLAS技术的研究方法 9

2.2.1直接吸收法 9

2.2.2波长调制法 11

2.2.3频率调制法 13

2.3本章小结 14

第三章 频率调制技术理论分析 15

3.1电光相位调制原理 15

3.1.1折射率椭球 15

3.1.2 电光效应 16

3.1.3电光相位调制 18

3.2频率调制技术理论推导 19

3.2.1 单频调制 19

3.2.2 双频调制 22

3.3 本章小结 23

第四章 频率调制技术的数值分析 24

4.1单频调制技术模拟 24

4.1.1 气体浓度X 24

4.1.2 调制频率 25

4.1.3 调制系数M 27

4.1.4压力P 28

4.1.5 单频调制中的二次谐波 29

4.2 双频调制技术模拟 31

4.2.1 气体浓度X 32

4.2.2 调制频率 33

4.2.3 调制系数M 34

4.3 频率调制技术中的剩余幅度调制(RAM) 35

4.3.1频率调制中RAM产生的机理 35

4.3.2 频率调制技术RAM仿真模拟 36

4.4本章小结 37

第五章 总结与展望 38

5.1全文总结 38

5.2 展望 38

致 谢 40

参考文献 41

第一章 绪论

1.1背景意义

随着经济发展，能源的消耗也日益增加。我国是一个化石能源为主要能源形式的大国，尤其以煤炭和石油为主。根据我国石油经济技术研究院《2025年世界与中国能源与消费展望》，我国能源消费还将持续上升，对化石能源的依赖虽然逐步下降，但是化石能源消耗量还将持续上升。

能源消耗的主要形式是燃烧，而燃料燃烧会产生和导致大量污染物的排放，因而能源消耗的持续上升给环境带来的问题是不容忽视的。我国已经出台许多有关控制由能源消耗引起的环境污染的政策文件，虽然有所成效，但是还有很长的路要走。从科学技术上来说，减少燃烧引起的环境污染问题，可以从提高燃烧效率入手，而能够准确测量燃烧过程中的气体浓度和燃烧产物浓度、温度等参数，对于后续的燃烧控制和优化具有重要意义。以电力生产为例，我国电力行业主要以火力发电为主，提高煤炭燃烧效率，需要对炉膛能燃烧情况进行监测。一般采用测量炉膛出口O₂浓度值来间接反映锅炉内部的燃烧情况，但这种测量方法易受各部件漏风量的影响，所以在测量O₂浓度的基础上测量不完全燃烧产生的CO能够更好地反映炉膛内部的燃烧情况。此外，大量的煤炭消耗产生的NO_X、SO₂、CO₂等气体会带来许多环境污染问题。近年来，温室效应、酸雨以及雾霾等等大气污染问题越来越严重，有些西方国家“先污染后治理”的教训应该给予我们警示，“发展和治理并举”才是我国应该采取的正确措施。大气环境污染在危害个人的身体健康的同时也阻碍了当地经济的发展。但是经济飞速发展必须有工业的支持，在经济发展的过程中必须注重大气污染的防治。对大气环境进行有效全面的监测是治理大气污染的根本。

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