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甲烷红外吸收光谱原理与处理技术分析

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图 ３ Ｎａａｉ ８ 用 ＩＧａ Ｐ Ｌ 是 ｇｌ等［ 利 ｎ Ａｓ Ｄ、采用单 波长双光 路原理 检测 甲烷气 体浓 度 的系 统结 构 图。在 工作 电流 １ ０ ０ ｍＡ、调制频率 １ ０Ｈｚ的驱动 电路 作用下 ， ｎ Ａ Ｐ Ｌ ０ ＩＧａ ｓ Ｄ发 出 １６６ ． ４ ｍ 的光束 ，经过 分束器 后形 成两路 光 。一束 耦合 进入长度 为 ２ ｍ 的气室 ，成为信号光 ，被 Ｇｅ ０ｃ 探测 器 Ａ接
第 ２ 卷 ， １ 期 ８ 第 １ ２００８年 １１月
光
谱 ．学
与
光
谱
分
析
Ｖ １ ８Ｎ ．１ｐ２１—５９ ｏ ２ ， ｏ １，ｐ５５２１ ．
Ｎｏ ｅ ｅ ，２ ０ ｖ ｍｂ ｒ ０ ８
Ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃ ｒ ｌＡｎ ｌ ｓｓ ｐ ｃ ｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔａ ａ ｙ ｉ
甲烷 红外 吸收 光谱 原 理 与处 理 技 术分 析
张 宇 ， 王一丁 ， 李 黎 ， 郑传涛 ， 宇鹏 ， 安 宋振 宇
集成光 电子学国家重点联 合实验 室吉林 大学实验 区，吉林大学电子科 学与工程学院 ， 吉林 长春 １ ０ １ ３０２
摘
要
由于工业 监控和环境检测的需要 ， 于红外吸收光谱分析原理 ， 制 甲烷传感系统 ，日益 得到人们 基 研
报道 所证 明。
关键 词 红外 吸收 ；甲烷 ； 波检测 ； 谐 光谱增强 ；光声效应
中图分类 号 ： ６ ７ ３ ０ ５ ． 文献标识码 ： Ａ Ｄ ：１． ９ ４ ｊｉｓ￣ ０００ ９ （０ ８ １— ５５０ ＯＩ ０ ３ ６ ／． ｎ １０ —５ ３２ ０ ） １２ １ —５ ｓ
为检测机制 ， 所以必须明确 甲烷气 体 的吸收谱线 ， 出适合 找
收稿 日期 ：２０ —６２ 。 ０ ７０ —８ 修订 日期 ：２ ０—９２ ０ ７０ —９ 基金项 目：国家 自然科学基金项 目（０ ７ ０ ２ 资助 ６４７１）
作者简介 ： 张 宇 ， ９２ １ ８ 年生 ， 吉林大学 电子科学与工程学院博士研究生
＊通 讯 联 系人 ｅｍａｌ － ｉ ：ｗａｇ ｉｉｇ ７ ｙｈ ｏ ∞孔 ｃ ｎ ｙ ｎ ４ ＠ ａｏ ． ｄ ｎ
Ｔ ｈｋ ｏ ｏ ｕ大学用 ＩＧａ Ｐ Ｌ Ｄ 和锗 探测器对 比＋２ 组合带 ｎ Ａｓ Ｅ 地 进行 了测量 ， １３ ｍ 附近的 Ｑ支带吸收是相 当强 的，其 在 ．３ 吸收峰 出现在 １ ３ １２ ． ３ ｍ 处 引。１８ ９４年 ，该大 学又对 Ｃ Ｈ４ 红外 甲烷气体传感 器是 利用 甲烷气体的红外吸收光谱作
引 言
甲烷是一种易燃易爆气体 ， 是煤炭行业 中发生各类事 故
的隐患之一 。一般认为 ，甲烷爆炸下 限为 ５ ，上限为 １ ， ５
设计要求 的红外 区的吸收峰 ， 依此决定测量 系统 的结构 。
Ｃ 分 子具有 ４个 固有 的振 动 ， Ｈ 相应 产生 ４个基频 ， 全
部处于 中红外波段 。４个基 频 的波数是 ：Ｆ—２９ ３ ０ｃ ， １ １． ｍ～ 地一１５ ３ ３ｃ ， ３ ． ｍ～ 蜥＝３０ ８ ９锄 ～ ， 一１３ ５ ９ｃ 。 １． ０ ． ｍ～ 每
重要的现实意义 。
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Ｕ
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在２ Ｏ世纪 ７ Ｏ年代就 开展了甲烷气体红外传感检测技术 的研究ｒ ， ４ 近几年这方面 的研究 有加 速发展 的趋势［ 。本文 ］ ５ ］ 给出甲烷红外吸收光谱 特点 ， 并就具体 的技术方法 加 以分析 比对 ，以期对 甲烷红外传感检测方法 给出较 为全 面的讨 论。
的关 注。文章描绘 了甲烷 中红外 的基频 吸收带 和近红外的 地＋２３ ｖ 组合带 、２ 地泛频 带的 吸收光谱强度 分布 ， 并给出了相应 的吸收光谱曲线 。 定量数据表 明 ，甲烷 的基频 吸收要 比泛频 吸收高两个数量级 以上 ，较组 合频 吸收高 ３ 个数 量级以上 。 文章还介绍 了甲烷检测 的差分技术 、 波技术 、腔 光谱增 强技术 、以及 光声技 术 ， 谐 给出了相应 检测方法的理论公式 、 能够达 到的检测灵 敏度 以及系统 的结构 。这些 技术 的有效 性 已经 被研究
ｅ ａ ： ｙ ９ １ ７ ６ ．ｏ － ｉ ｚ １ ０ １ ＠１ ３ ｃｒ ｍ ｌ ｎ
２ １ ５６
光谱学与光谱分析
第２ ８卷
０ Ｉ １ ｌ０ ０ 分子 的 ２ 谐波段进行 了检测－ 一× ｔａｕｇ ． ｕ １ 口ｄ ０∞ 《 ， 发现在 １６ ｍ Ｊ Ｑ支带 ６ 附近
一
在浓度为 ９ ８ 时最容易爆 炸 。 国规定每 间隔 ２ ｎ 要 ． 美 ０ｍｉ 就 进行一次检测 ，或者在煤矿作业期 间增加监 测 的频 率Ｌ 。同 】 ］ 时 ，甲烷 也被认 为是温室效 应最主要 的气体 之一 ，甲烷 吸收 红外线能力是二氧化碳 的 １ ～ ３ ，占据整个 温室 贡献 量 ５ Ｏ倍 的 １ 。空气 中的甲烷浓 度每年大约以 １ 的速度增长［ 。 ５ ２ ］ 目前应用于 甲烷气 体 的检测 方式 主要 有 载体 催化 燃烧 式、 热导式 、 干涉式 、红外 吸收式等［ 。比较可 以看 到 ， 光 ３ ］ 红
盆
Ｗ ａ ｅｎ ｖ ｕｍｂ ｒｅ ｅ ／ ｍ一
Ｆ ｇ １ Ａｂ ｏ ｐ ｉｎ ｓ ｅ ｔａ ｏ Ｈ，ｎ ａ ． １ ｌ ｉ． ｓ ｒ ｔ ｐ ｃ ｒ ｆＣ ｏ ｅ ｒ３ ３ ａｎ
１ 甲烷红外 吸收光谱原理
１ １ 甲烷吸收光谱特点 ．
在 近红外 区 ， 有许多泛频 带和组合 频带。１ ８ ９３年 ，日本
个 固有振 动 对 应 一 个 光 谱 吸 收 带 ，它 们 的 波 长 分 别 为 ｍ基频吸收带 的吸收 强度 分布 。
３ ４ ， ． ３ ． １ ７ ６ ｍ。图 １给 出 了 甲烷气 体 在 ３ ３ ． ３ ６ ５ ，３ ３ ， ． ６ ．１
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外吸收原理的 甲烷传感器具有独 到的优 势。因此 ， 制和 开 研 发红外光谱气体分析仪对于提高气体安全检测监控水平有着

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基于TDLAS的甲烷气体监测系统的研究的开题报告

基于TDLAS的甲烷气体监测系统的研究的开题报告

基于TDLAS的甲烷气体监测系统的研究的开题报告一、研究背景甲烷是一种重要的温室气体，它可以导致全球气候变化和环境污染。

甲烷气体监测对于环境保护和气候变化研究具有重要意义。

传统的甲烷气体监测方法主要基于化学传感器和红外线传感器，但它们的测量精度和灵敏度有限。

激光吸收光谱技术（TDLAS）作为一种高精度、高灵敏度、无毒污染的测量方法已经在气体监测领域得到广泛应用。

因此，基于TDLAS的甲烷气体监测系统的研究具有很高的研究价值和应用前景。

二、研究内容本研究旨在设计、制作和测试一种基于TDLAS的甲烷气体监测系统。

具体包括以下研究内容：1. 设计和制造TDLAS光路系统；2. 选择合适的激光光源和探测器；3. 编写控制软件，并对系统进行数据采集和处理；4. 进行系统测试和数据分析。

三、研究目标和意义本研究的目标是开发出高精度、高灵敏度、可靠性高的基于TDLAS的甲烷气体监测系统。

通过对系统精度和稳定性的测试，验证系统性能和应用价值，为环境监测和气候变化研究提供一种新的、有效的监测手段。

四、研究方法1. 系统设计和制作：根据TDLAS原理，设计和制作光路系统，选用合适的激光光源和探测器。

2. 数据采集和处理：编写控制软件，实现数据采集和处理，包括数据校准、滤波和分析。

3. 系统测试和数据分析：对系统进行性能测试和数据分析，计算系统的灵敏度、稳定性和精度等参数。

五、研究预期结果本研究预期将开发出一种基于TDLAS的甲烷气体监测系统，并通过实验测试验证系统的性能和应用价值。

该系统预计具有以下优点：1. 高精度、高灵敏度：采用TDLAS技术实现非常高的测量精度和灵敏度。

2. 无毒污染、环保：系统采用激光技术，无需使用化学试剂，无毒污染，环保。

3. 可重复性高：系统采用数字控制，测量结果准确可靠，可以进行高精度、高可重复性的数据采集。

六、研究进度安排研究内容包括系统设计和制作、数据采集和处理、系统测试和数据分析。

对甲烷气体的检测及谱分析

对甲烷气体的检测及谱分析


传 感 器 精 确 监 测 甲 烷 含 量 的 方 法 ， 并 就 其 谱 分 析 进 行 了初 步 探 讨 。
关键 词 ：光纤 气体 传 感 器 ；差 分检 测 ；
Ｄ ＦＴ；谱 分析
号 处 理 ４ 个 环 节组 成 。光源 通 常 采 用半 导
分布 反馈式半导体激 光器 （ ＤＦＢＬＤ，Ｄｉ ｓ ｔｉｕ ｅ Ｆ ｅ ｂ ｃ ａ ｅ ｏ ｅ ，极 少 数 ｒｂ ｔｄ ｅｄ ａ ｋ Ｌ ｓ ｒ Ｄｉｄ ）
工 程测 试 过 程 中 ，及 时 、准 确地 对 易 体 光 源 ，包括 发 光 二 极 管 、激 光 二 极 管 和
燃 、易 爆 、有 毒 、有 害气 体 进 行监 测 预 报 和 自动 控制 已成为 当前 煤炭 、石 油 、化 工 、 电 力等 部 门 亟待 解 决 的重 要 问题 之 一 。 因 此研 制 气 体 传感 系统 势在 必 行 ，已 成 为 当 今 传 感技 术 发展 领 域 的 一 个 重 要 课题 。
（ １）式 称 为 比尔一 一 朗伯 （ Ｂ ｅｅｒ Ｌ ｍｂ ｒ ）定律 ，由Ｌ ｍｂ ｒ 和 Ｂｅｒ最早提 ａ ｅｔ ａ ｅｔ ｅ
，
在波 长 ． ， ，若 气体 的吸收 系数 、 下
、
可 以测 量 ， 则气 体浓 度可 以 从 Ｉ
出 。吸 收 型 光纤 气 体 传 感 器 的优 点 是具 有 简 单 可 靠 的 气 室结 构 ，而且 只需 要 调 换 光 源 ，对 准 另 外 的吸 收 谱 线 ，就 可 以 用 同样 的 系统 来 检 测 不 同 的 气体 。 光谱 吸收 型 光 纤 气体 传 感 器 采 用 的是 普 通 光 纤 或 多模 光 纤 ， 这 种 传 感 器 由 光 源 、气 室 、双 波 束 或 双 波长 的光 路 以 及 信
傅里叶变换红外光谱仪解析

傅里叶变换红外光谱仪解析

傅里叶变换红外光谱仪解析仪器分析综述系别：生物科学与技术系班级：09食品2 姓名：欧阳凡学号：091304251傅里叶变换红外光谱仪前言随着计算方法和计算技术的发展，20世纪70年代出现新一代的红外光谱测量技术及仪器--傅里叶变换红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectrometer，简写为FTIR ,简称为傅里叶红外光谱仪。

它不同于色散型红外分光的原理，是基于对干涉后的红外光进行傅里叶变换的原理而开发的红外光谱仪，主要由红外光源、光阑、干涉仪（分束器、动镜、定镜）、样品室、检测器以及各种红外反射镜、激光器、控制电路板和电源组成。

可以对样品进行定性和定量分析，广泛应用于医药化工、地矿、石油、煤炭、环保、海关、宝石鉴定、刑侦鉴定等领域。

正文傅里叶变换红外光谱仪分光光度计由光学检测系统、计算机书籍处理系统、计算机接口、电子线路系统组成。

光源发出的光被分束器（类似半透半反镜）分为两束，一束经反射到达动镜，另一束经透射到达定镜。

两束光分别经定镜和动镜反射再回到分束器，动镜以一恒定速度作直线运动，因而经分束器分束后的两束光形成光程差，产生干涉。

干涉光在分束器会合后通过样品池，通过样品后含有样品信息的干涉光到达检测器，然后通过傅里叶变换对信号进行处理，最终得到透过率或吸光度随波数或波长的红外吸收光谱图。

光学检测系统由迈克逊干涉仪、光源、检测器组成、迈克逊干涉仪内有两个相垂直的平面反射镜M1、M2和一个与两镜成45度角的分束器，M1可沿镜轴方向前后移动。

自光源发出的红外光经准直镜M3反射后变为平行光束，照在分束器上后变成两束光。

其中一束被反射到可动镜头M1后又被M1反射回分束器，并在分束器上再次分城反射光和透射光，透射光部分照在举聚光镜M4上，然后到到达探测器，另一束光透过分束器，射在固定镜M2上，并被M2反射回分束器，在分束器上再次发生反射和透射，反射部分照在聚光镜M4上，最后也到达探测器。

光谱分析在地球科学研究中的应用

光谱分析在地球科学研究中的应用

光谱分析在地球科学研究中的应用地球科学研究是一门关于地球系统的综合性学科，涉及到地球的形成、演化、内部结构、物质组成等多个方面。

在地球科学研究过程中，光谱分析技术得到了广泛应用。

光谱分析通过研究物质吸收、发射、散射光的特性，能够提供丰富的信息和数据，为地球科学研究提供了重要的工具和方法。

本文将从光谱分析的原理、技术以及在地球科学研究中的具体应用等方面进行讨论。

一、光谱分析的原理光谱分析是通过分离和测量物质吸收、发射、散射光的性质来研究物质组成和特性的一种方法。

根据不同目的和需要，光谱分析可以采用多种不同的技术，如紫外可见光谱、红外光谱、拉曼光谱等。

1. 紫外可见光谱紫外可见光谱是研究物质在紫外和可见光范围内的吸收、发射、散射光的方法。

物质中的原子、分子或离子在吸收光时会发生能级跃迁，吸收特定波长的光，产生吸收谱。

通过测量样品对不同波长的光的吸收情况，可以确定样品的组分和特性。

2. 红外光谱红外光谱是研究物质在红外范围内的吸收、发射、散射光的方法。

红外光谱可以提供物质的结构信息，区分化学键的存在和属性。

根据样品吸收的红外辐射情况，可以确定样品的化学成分和结构。

3. 拉曼光谱拉曼光谱是研究物质在光激发下发生散射的分析方法。

当光线作用于样品时，一部分光子被散射出来，而散射光与入射光具有不同频率，这种频率偏移即为拉曼频移。

通过测量样品散射光产生的拉曼频移可以确定样品的分子结构、组成和物质性质。

二、1. 地球化学研究地球化学研究通过分析地球中的各种元素和化学物质，揭示地球系统的组成和演化过程。

光谱分析技术能够对地球样品中的元素进行快速、准确的分析。

例如，通过使用X射线荧光光谱仪可以测定地球样品中各个元素的含量和分布情况，从而研究地壳的组成和地球的物质循环过程。

2. 矿物学研究矿物学研究是地球科学中的一门重要学科，通过对地球中各种矿物的研究，可以揭示地球的物质组成和构造环境。

光谱分析技术在矿物学研究中起到了关键作用。