高精度红外多气体传感器吸收池的研究与设计

【摘要】因2013年严重的雾霾天气极大的影响了人们的日常生活，且使得环境问题日益凸显。其中的有害气体检测受到越来越多研究者们的重视。本论文对红外气体检测技术、气体吸收池反射原理和ZEMAX软件进行了详细的研究。通过甲烷、氨气、一氧化碳的分子结构和HITRAN数据库中的数据，确定了近红外波长范围内三种气体的波长、吸收线强度。通过研究压力展宽、多普勒展宽和Voigt展宽这三种展宽机制，分析出压强、温度和气体吸收系数间的关系。以朗伯比尔定律为基础计算不同气体对应的反射光程长。提出了设计高精度多气体吸收池的想法，并详细研究了光线在多气体吸收池内部的反射原理，探测面上产生的光斑位置的计算。并通过调节反射镜角度和光源角度，改进气室结构，提高了反射镜面的利用率，最终使得设计的气室，基长为280mm，一氧化碳的测量精度达到至少200ppm，氨气测量精度达到至少20ppm，甲烷测量精度可以达到至少2ppm。同时也详细研究了赫里奥特池的原理和光线在反射面产生的光斑分布情况，两种气室进行对比，得出优缺点。在本论文中根据设计计算的理论数据，结合光学软件ZEMAX，对两种气体吸收池都进行了仿真，最终使得基长为280mm的多气体吸收池，最多可反射32次，最大光程长可达到8.96m，体积为0.00256m3；基长为205mm的赫里奥特池，光线在气室内部最多反射50次，光程长达到10.25m，体积仅为0.00188m3。通过软件仿真在理论上验证了高精度多气体吸收池传感器的可行性。总之，本论文对红外光谱吸收理论光学部分的气室进行了详细的研究，给出了两种气室不同参数的计算方法，对软件ZEMAX进行了详细的介绍，对进一步改进气体吸收池的精度具有很大的意义。
【作者】王玮琪；
【导师】崔洪亮；张天瑜；
【作者基本信息】吉林大学，测试计量技术及仪器，2014，硕士
【关键词】红外光气体光谱检测技术；高精度；长光程气体吸收池；ZEMAX；

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