探测器在激光吸收光谱实验中的影响

论文总字数：21450字

摘 要

气体检测技术的手段较多，它们与空气污染检测密不可分。自从上个世纪60年代起，TDLAS气体检测技术已经过多年迅猛发展。相比于经典的测量手段，TDLAS作为非接触测量法在灵敏度、精确度和兼容性上都发挥更加出色。TDLAS包括WMS和DA两种检测途径，其中前者成本更高，但同时性能也更好。虽然国内TDLAS由于自身发展比国外稍晚，在应用领域上并不是十分广阔，但因近年来受到国家的重视，我国的TDLAS也取得了一定的成就和进步。

在这篇文章中，我们将会讨论探测器在TDLAS系统中的影响并分析探测器本身的带宽和气体吸收增益间的关系。虽然TDLAS具有较低的误差，且本实验变量不易测得，但在许多场合我们需要更加精确的测量数据。探测器主要作用为将光信号转化为电信号，但选取的探测器由于是非理想的，所以也会影响到吸收增益系数，该系数由对比入射光和出射光的朗博比尔定律所推得，与气体浓度、线强和线型函数有关，该定律作为TDLAS器件工作原理的核心，可以用来计算光电探测器所带来的影响误差。我们研究了小吸收系数下的探测器在激光光谱中的影响，结果表明不同探测器具有不同的带宽，非理想探测器带宽越窄，测得的吸收增益系数将会越小。

关键词: 探测器，TDLAS，朗博比尔定律，带宽，吸收增益系数

The Effect Of the Photodetector to the Laser Absorption Spectroscopy

Abstract

The gas detection technique including various methods have a wide application on air pollution detection. Over years TDLAS as a booming technique since the 60’s in twentieth century demonstrates obvious superiority comparing with the traditional gas detection technique. TDLAS which adopts no-contact measurement owns performance with high precision, sensitivity and compatibility. It contains WMS and DA as the technique branches and the former shows a a better performance and a higher cost. Domestic technology of development of TDLAS of the late commence leads to the limited application. But recent years we obtain a large progress with attaching the importance of the government.

In this paper, we will discuss the effect from the photodetector to the TDLAS system and analysis the physical reason about the relation between absorption of the gas and bandwidth of the photodetector. Although TDLAS have a low error, in various situation the precision allows higher accuracy. Photodetector plays essential role in transforming the light signals into electrical ones, meanwhile it influenced the absorption coefficient which derived from the Beer-Lambert Law. Contrasting incidence and output light, Beer-Lambert Law reflecting laser absorption occupies the vital apart to show principal of working of devices, where the absorption coefficient depends on the gas concentration, line strength and line shape function. The error concerning with photodetector can be figured up based on Beer-Lambert Law. We researched on the photodetector effects about laser absorption spectrum through a small absorption condition. The result indicates photodetectors of different bandwidth perform that narrow bandwidth make the absorption coefficient lower.

KEY WORDS： photodetector, TDLAS, Beer-Lambert Law, bandwidth, absorption coefficient

目 录

摘要 Ⅰ

第一章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 气体水浓度的测量 1

1.3 传统气体测量检测手段 2

1.4 TDLAS检测方式 2

1.5 文章结构 3

第二章 TDLAS 4

2.1 TDLAS结构 4

2.2 TDLAS原理及应用 4

2.3 TDLAS测量方法 5

2.4 TDLAS发展 6

2.5 Beer-Lambert定律 6

2.6 本章小结 8

第三章 探测器 9

3.1 光电探测器原理及应用 9

3.2 探测器的误差来源于带宽影响 10

3.3 新型探测器与发展 11

3.4 本章小结 11

第四章 数据分析 13

4.1 响应时间 13

4.2 小吸收情况 13

4.3 探测器中频率与时间变化关系 13

4.4 用峰值表征带宽 14

4.5 本章小结 16

第五章 总结 18

致谢 19

参考文献 19

第一章 绪 论

1. 课题背景

在如今，关于气体浓度检测的应用方面极其广泛，比如工厂的废气排放，从来源产生到监控指标等等，各种污染物的监测，无一不与“度”“量”相关，它关系到我们的生活环境，也即就是老生常谈的环境污染话题。其中对于包括气体污染在内的浓度检测方式种类繁多，广义上，城市中需有对特定气体监察以进行反馈的相关部门机构，市区外有针对工厂废气排放的关卡指标。往小里说，我们日常中的生活也在一直“控制”浓度。空调，汽车，甚至是我们对加湿器都有着自我“微调”，不管程度如何，我们都在或多或少地与“浓度”打交道，只不过用到的方式不尽相同。对于要求精准测量浓度的领域，现有的探测方式也是种类多样，比如气相色谱法、化学分析法、紫外-可见吸收光谱法、TDLAS等。精确采样不光关系到传统工业污染，即便是非含N化物、非含S化物比如CO₂、H₂O等，其浓度值也会影响着各项物理特性从而关系到许多行业，就从量而言，CO₂的过多和过少都会改变空气的质量，甚至关系到人生活的安全。

环境污染问题一直是人们长期的议题，随着2015年国家对大气污染治理批示通过后，企业工厂经过结构调整和优化已经取得了不小成效，但同样从许多方面来看，比如机动车尾气、秸秆燃烧、工业废气排放都不尽如人意，把握对相关产业的监管，从技术层面上讲需要科学有效的监测方式，在保护检测人员的同时也能精确完成测量，在这一点上传统的检测方式有着明显的不足。而非接触式的TDLAS所具有的多种优点便跃然纸上了。环境检测过程中，比如CO、含S和含N氧化废气具有毒性和污染性，但通过检测CO的浓度并加以针对性调节，可有效在工业领域控制其余污染物的排放。前文说过的CO₂虽然是常见生活气体，但当其浓度过高时，也会产生温室效应。检测CO₂的技术种类繁多，同样可将数据结果用作气体排放的参考。有污染性的气体需要监管，同样对于危险气体的成分含量高低也需要进行控制。要考虑当地环境条件，针对不同情况控制温度、湿度、可燃气体含量，这其中湿度跟H₂O浓度有关，气体的可燃与否，与待测气体的O₂、H₂O含量有关，我们可以通过气体检测技术有效地进行预知和控制。

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