基于波长调制光谱的呼吸气体检测技术研究

论文摘要

呼吸气体分析技术是具有广阔应用前景的医学领域,能够提供一种无损、实时、高灵敏度的探测以及实现定点疾病诊断和代谢状态的监测。激光光谱技术不仅具有高灵敏度和高选择性,而且还能够做到实时监测的能力,在医疗诊断领域有着十分重要的作用。本论文重点介绍了波长调制（WMS）技术的理论及其在呼吸气体检测方面的应用。利用中心波长为2.73μm的可调谐分布反馈式（DFB）激光器为激光源,搭建了一套基于可调谐半导体吸收光谱（TDLAS）技术的呼吸气体检测装置。利用长约88 cm的单通池作为气室,选用3659.402 cm-1和3659.934 cm-1处的谱线分别对呼吸气体中的CO2和水汽同时进行测量。通过浓度定标,在CO2和水汽浓度分别小于35%和2.3%时,得到了CO2和水汽的线性相关度分别为0.99945和0.99679;通过对实验参数的优化,呼吸CO2和水汽的探测灵敏度分别达到了0.433%和137 ppmv(10-6);在呼吸循环过程的实时监测中,CO2和水汽含量变化分别稳定在5.3%和2.2%,得到浓度响应时间约4.5 s。在17 min的积分时间里,CO2的探测极限可以达到149 ppmv。结果表明测量系统能够对呼吸气体进行稳定而准确的测量。然而,单通池过大的容积并不利于呼吸气体分析,除了会消耗过多的呼吸气体之外,还会增加呼吸气体的浓度响应时间。为了解决单通池带来的问题,利用一段长为1 m的中空光纤替代传统的单通池作为气室。中空光纤内径只有1 mm,容积为0.78 cm3,这可以极大地节省气体样品消耗,还极大地节省了实验空间。通过对不同CO2浓度梯度进行测量,发现浓度上升和下降过程中响应时间较短,分别为1.4 s和1 s。此外,在16 s的最佳积分时间内,呼吸CO2的检测极限为61 ppmv,相应的等效噪声灵敏度为7.7×10-6cm-1Hz-1/2。通过与直接吸收方法作比较,WMS方法的探测灵敏度提高了约22倍。结果表明,相比于传统的单通池,基于中空光纤的呼吸气体检测装置可以缩短浓度响应时间,提高探测极限。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 常见呼吸气体检测方法
•     1.2.1 化学检测方法
•     1.2.2 光谱学检测方法
•   1.3 光谱学在呼吸气体检测中的研究进展
•   1.4 本文主要研究内容及创新点
• 第2章 吸收光谱原理与相关技术
•   2.1 吸收光谱原理
•     2.1.1 朗伯-比尔定律
•     2.1.2 吸收谱线线型
•   2.2 激光吸收光谱技术
•     2.2.1 直接吸收光谱技术
•     2.2.2 非分散红外技术
•     2.2.3 高精细度谐振腔吸收光谱技术
•     2.2.4 光声光谱技术
• 第3章 波长调制光谱技术
•   3.1 引言
•   3.2 波长调制光谱的原理
•     3.2.1 波长调制的方法
•     3.2.2 波长调制下的线型函数
•   3.3 波长调制下的信号分析
•   3.4 本章小结
• 2和水汽测量'>第4章 基于波长调制光谱的呼吸CO₂和水汽测量
•   4.1 实验装置
•   4.2 实验与结果分析
•     4.2.1 吸收谱线的选取
•     4.2.2 实验参数优化
•     4.2.3 浓度定标
•     4.2.4 呼吸气体测量
•     4.2.5 呼吸循环过程实时测量
•     4.2.6 长时测量
•   4.3 本章小结
• 2检测'>第5章 基于中空光纤的波长调制呼吸CO₂检测
•   5.1 引言
•   5.2 实验装置
•   5.3 实验结果与分析
•     5.3.1 谱线选择
•     5.3.2 光斑尺寸与系统稳定性的关系
•     5.3.3 响应时间的测量
•     5.3.4 浓度定标
•     5.3.5 测量精度
• 2'>    5.3.6 呼吸气体中的CO₂
•     5.3.7 与直接吸收方法的比较
•     5.3.8 探测极限
•   5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 读研期间参与课题和发表论文情况
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张怀林

导师: 吴涛

关键词: 呼吸气体分析,激光光谱技术,波长调制技术,中空光纤,水汽

来源: 南昌航空大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 南昌航空大学

分类号: O433.54

总页数: 72

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