基于激光吸收光谱技术的氧气高灵敏度检测研究.pdf

摘要

摘要

氧气(O)是一种无色无味的物质，是人类生活和工业生产中最重要的气体。

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O2浓度的检测在工业、农业、航天、气象等各个领域都有着重要的意义。对

于O2的检测，传统的气相色谱法、电化学装置等由于长期与待测物质接触，

容易造成探测器腐蚀，不适用复杂环境内长期检测。而利用激光光谱技术实现

气体传感具有选择性好、灵敏度高、在线测量等优点，可以解决传统气体传感

不可避免的问题。因此，本文利用激光光谱技术对O2开展相关传感测量研究，

在实现可在线持续测量的同时，进一步提高检测极限，实现高灵敏度传感。

首先对可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunablediodelaserabsorption

spectroscopy,TDLAS)，光声光谱技术(Photoacousticspectroscopy,PAS)以及

石英增强光致热弹光谱技术（Light-inducedthermoelasticspectroscopy,LITES）

的理论部分进行介绍，为后续实验的优化研究奠定了理论基础。

其次，搭建了基于直接吸收法DAS的O-TDLAS和波长调制法WMS-2f

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的O-TDLAS传感系统，获得的最小探测极限为242.61ppm。选择位于

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13144.54cm-1的吸收线作为实验探测对象，对激光器的输出功率及光斑进行

了测量，最终得到利用TDLAS直接吸收法测量得到最小探测极限为0.55%，

波长调制法测量最小探测极限为242.61ppm。

再次，实现了反射镜增强型O-PAS传感，获得的最小探测极限为318

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ppm。激光束通过镀金的全反射镜进行反射，实现了双通光束传输增加光吸收。

反射镜增强型的O-PAS传感器系统与无反射镜时的系统相比，信号提高了

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1.85倍。利用Allan方差分析了系统的稳定性，当该传感器系统积分时间为

1560s时，该反射镜增强型O-PAS传感器的最小检测极限可提高到318ppm。

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最终，实现了基于LITES技术的O2传感，最小探测极限达到583ppm。

半导体激光器发出激光束通过L=70cm的吸收路径，最终聚焦照射在音叉根

部。O-LITES传感器对不同浓度的O均表现出良好的线性浓度响应。利用

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Allan方差分析了系统的稳定性，结果表明，当该传感器系统的积分时间为

100s时，该O-LITES气体传感系统检测极限可达到583ppm。

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关键词：石英增强光致热弹光谱技术；可调谐半导体激光吸收光谱技术；光

声光谱技术；O2浓度检测

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Abstract

Abstract

Oxygen(O),acolorlessandodorlesssubstance,isthemostimportantgas

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inhumanlifeandindustrialproduction.ThedetectionofO2concentrationisof

greatsignifica