基于光声光谱的痕量SO2气体浓度检测研究
大气污染一直是全球环境面临的重大问题。在日常生活、工业生产和火山喷发等自然灾害活动中都会释放大量的有毒有害气体，而二氧化硫(SO2)便是最主要的污染气体之一，对人体健康和生态环境危害极大。因此，大气中SO2污染气体的浓度监测至关重要。光声光谱气体检测技术由于其灵敏度高、选择性好、动态监测范围大以及可在线实时监测等优点，在气体浓度检测领域具有极高的应用价值和前景。本文针对SO2气体监测需求，基于光声光谱技术设计和搭建了一套光声光谱气体检测实验系统，并对痕量SO2气体检测性能进行了详细的实验验证和分析。本文主要工作及研究成果如下: 第一，核心器件一光声池的优化设计和制作:本文根据光声效应和声学谐振腔理论设计、仿真并制作了一阶纵向谐振式光声池。首先，探讨了其几何尺寸、几何结构对光声池核心特征参数的影响;然后，基于有限元分析方法和多物理场仿真平台仿真分析了光声池内的声压分布、气体流速分布和谐振频率等特性。最后，根据以上优化设计并结合3D打印技术完成了光声池的制作。 第二，气体检测实验系统的设计和搭建:本工作完整设计并搭建了一套高灵敏度、低成本的光声光谱气体浓度检测实验系统，包括光声系统、数据处理与控制系统、以及数字配气系统。该系统操作方便，可移植性强，将来可应用到其他气体或多组分气体检测应用中。 第三，痕量SO2气体的检测性能验证与分析:本文基于搭建好的实验系统，对痕量SO2气体进行了浓度检测和实验分析。首先，为提高信噪比，实验分析了气体流速噪声，以及光源调制频率和气体流速对光声信号的影响，据此选定了最优调制频率和气体流速;然后，对不同浓度SO2气体进行了一系列浓度检测实验验证;最后根据实验结果对系统的检测性能进行了详细分析和评估。根据SO2气体浓度检测结果，得出1s积分时间下系统检测灵敏度极限为85.2ppb，对应归一化噪声等效吸收系数为2.03×10-9cm-1·W·Hz-1/2。 实验结果表明，该检测系统能准确、高效地实现痕量SO2气体的长时间稳定监测，为光声光谱技术在SO2气体监测领域的应用和发展提供了新参考。
大气污染;二氧化硫;光声光谱;痕量气体检测;谐振式光声池
郑州大学
硕士
测试计量技术及仪器
李磊
2022
中文
X51;X502
2022-11-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）