【摘 要】
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痕量气体甲烷在空气中超过一定浓度就会严重威胁人们的生命安全,因此有必要对环境大气中的甲烷浓度进行精确测量。TDLAS（可调谐二极管激光吸收光谱）技术可以对气体分子的特征吸收谱线进行选择,具有较高的探测灵敏度,并将半导体激光器与长光程多通池相结合,是一种常用的甲烷气体检测技术。目前国内外学者基于TDLAS技术对甲烷气体检测,研究出了多种测量装置,但都存在着光学多通池镜面利用率低、干涉条纹噪声对谐波信
【基金项目】
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安徽理工大学环境友好材料与职业健康研究院（芜湖）研发专项《多目标大气温室气体（CO2、N2O和CH4）实时在线测量系统研制》（项目编号:K2010106）；
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痕量气体甲烷在空气中超过一定浓度就会严重威胁人们的生命安全,因此有必要对环境大气中的甲烷浓度进行精确测量。TDLAS（可调谐二极管激光吸收光谱）技术可以对气体分子的特征吸收谱线进行选择,具有较高的探测灵敏度,并将半导体激光器与长光程多通池相结合,是一种常用的甲烷气体检测技术。目前国内外学者基于TDLAS技术对甲烷气体检测,研究出了多种测量装置,但都存在着光学多通池镜面利用率低、干涉条纹噪声对谐波信号幅值造成干扰、系统探测精度不高等问题。为此,本文围绕TDLAS技术检测甲烷气体开展了多通池密集光斑图案算法设计、实验系统搭建和实验研究等方面的工作。主要内容如下:首先,本文大量调研TDLAS技术以及光学多通池应用于气体监测系统中的国内外研究现状。相比较传统的Herriott型多通池,拥有密集光斑图案的长光程多通池增强了气体吸收。通过对WMS（波长调制光谱）技术和谐波检测方法的基本原理和理论公式推导,得出待测气体浓度与谐波信号分量大小之间的理论关系。分析了三种常见光学多通池的光斑图案、反射次数、气体吸收总光程之间的关系。其次,分析了Herriott型多通池的圆形光斑分布规律,提出了一种新型密集型光学多通池光斑图案算法。为验证所提出算法的准确性,开展了一系列光斑数值模拟计算。同时利用Trace Pro软件建立球面镜多通池的光路仿真模型,发现仿真模型和实验结果相互吻合。结果表明新算法有效增加了光程长度,得到12.92m的长光程多通池。然后根据Spectraplot数据库,确定了1653nm的半导体激光器波段,建立了甲烷浓度测量系统。进行了实验系统的组装、光路调试与气密性检查。接着通过Lab VIEW软件编程控制数据采集卡进行二次谐波信号的采集,实现了采样参数设置,波形显示,数据平均处理以及自定义文件夹名称进行数据保存等功能。最后开展系统调制参数优化、浓度标定实验。锁相放大器解调出的二次谐波信号峰值与系统标定的甲烷浓度之间呈良好的线性关系。通过Allan方差分析得到系统在20s的积分时间内对甲烷的最低检测限为2.33ppb,结果表明该长光程多通池系统可以实现较高的探测灵敏度。同时对环境大气中甲烷测量,测量结果符合大气中甲烷浓度的典型值。结合加入射频噪声源和Kalman滤波算法,甲烷的测量精度由190ppb降低到64ppb。由文献中实验结果对比表明,所搭建的甲烷检测系统与现有成熟检测仪器在的相对误差（27）6ppb,可以满足煤矿井下气体检测的需求。图 [55] 表 [7] 参 [88]
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