基于可调谐激光器的乙炔近红外光声光谱检测技术研究

作     者：黄汝清 

作者单位：深圳大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于永芹

授予年度：2020年

学科分类：081704[工学-应用化学] 080901[工学-物理电子学] 07[理学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080401[工学-精密仪器及机械] 070302[理学-分析化学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0703[理学-化学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：光声光谱技术 DBR光纤激光器 共振光声池 

摘      要：乙炔(CH),是一种化学性质非常活泼的炔烃化合物。它在空气中极易燃烧、分解、和爆炸,在空气中的爆炸浓度范围为2.5%-80%,与其他的易燃易爆气体相比,乙炔爆炸的范围更大,爆炸的下限也比较低。在变压器故障类型的检测中,它是重要特征量之一。通过检测乙炔气体的含量可以判断变压器中是否发生局部放电或电弧产生,因此,微量乙炔气体的检测对变压器的寿命预测和在线评估、安全生产、空气质量检测以及井下气体环境检测等都具有极其重要的意义。光声光谱气体检测技术是一种基于光声效应发展起来的光谱技术,当光声池内待测气体受到一束调制后的单色光照射时会以无辐射驰豫方式把吸收的光能部分或者全部转化成热能,气体受热膨胀产生压力波,用高灵敏度的声音传感器便可以接收到光声信号,通过光声信号获取气体浓度。光声光谱气体检测技术具有检测分辨率高、灵敏度高、抗干扰能力强和检测范围广等优点,是目前实现气体实时、精确检测的有效方法。本文利用光声光谱理论,推导出光声信号与微音器灵敏度、气体浓度、光源的功率的关系,搭建了基于铒镱共掺DBR光纤激光器的气体光声光谱检测实验装置,用于检测微量乙炔气体浓度的实验探究。根据乙炔的吸收谱线,通过理论分析DBR光纤激光器的结构、选模特性,搭建出了一套中心波长在乙炔吸收峰附近的激光器。利用布拉格光栅对温度敏感的特性,调节温度大小实现对激光器中心波长的微调,使激光器的中心波长基本与乙炔吸收谱线对应。光声池是光声光谱检测系统最关键的部分,本论文研究了一阶共振光声池的原理,建立了一阶纵向共振光声池的传输模型,并且进行了仿真分析。依据仿真结果确定光声池的基本结构和几何尺寸,并且利用石英玻璃管为材料和基本结构完成了设计与制作。完整地搭建出以DBR光纤激光器为光源,以圆柱形一阶纵向共振光声池为声频信号发生器。实验验证了光声池谐振腔的共振频率为1665 Hz,与理论计算匹配,同时对光声光谱系统的检测噪声问题进行探究。最后实验研究了光声信号与乙炔气体浓度、激光功率的关系,通过线性拟合出一元线性回归方程,并对100 ppm的乙炔气体进行1小时的反演测试,得到系统测量结果的标准差为7×10,对乙炔气体的检测极限为1×10。