摘要
本论文的研究工作来源于国家自然科学基金——重大科研仪器研制项目（课题名称：新型红外瓦斯和一氧化碳检测仪的研究，编号：61627823）。 近年来，随着工业化进程的加快，人们对能源的需求逐渐加大。天然气的使用给人们的生活带来了巨大的便利，但由于天然气易燃易爆的特点，同时也埋下了巨大的隐患。在城市中，管道是运输天然气的主要方式，因此，及时检测出管道的泄漏点可以有效降低燃气爆炸发生的概率。然而，城市管道覆盖率较高，传统的人工检测方法耗时较长、检测效率较低，无法满足能源安全与环保需求。为此将传感器安装在移动平台上，如车辆、飞机、无人机等，可在短时间完成大范围的燃气巡检工作，大大提高巡检效率。 天然气的主要成分是甲烷（CH4）和乙烷（C2H6），本论文采用两种红外光谱技术检测CH4和C2H6，分别为可调谐二极管激光吸收光谱技术和离轴积分腔输出光谱技术。 针对可调谐二极管激光吸收光谱技术，设计了紧凑型密集光斑多通池，气室的尺寸为18.5×8×9cm3，有效吸收光程为9.39m。以紧凑型密集光斑型多通池及其外围光路为基础，设计并实现了一种近红外CH4/C2H6传感器。传感器采用两个近红外分布反馈激光器，分别用于探测CH4和C2H6，通过时分复用的方法实现了使用一个气室和一个探测器同时检测两种气体。采用Allan方差分析了双气体传感系统的性能，当平均时间为0.8s时，CH4和C2H6的检测限分别为78ppbv（体积分数，十亿分之一）和189ppbv。传感器的灵敏度满足监测大气CH4浓度的需要，通过长时间对大气环境CH4的测试来评估传感器系统的性能。 针对离轴积分腔输出光谱技术，设计了一体式离轴积分腔，腔的尺寸为580×75×95mm3，有效吸收光程为2.5km。相较于可调谐二极管激光吸收光谱传感系统，该系统的有效吸收光程更长。采用Allan方差分析了双气体传感器的性能，当平均时间为1s时，CH4和C2H6的检测限分别为4.3ppbv和14.2ppbv，传感器的灵敏度满足监测大气CH4和C2H6浓度的需要。通过一体式离轴积分腔将光学系统集成于一体，并通过减振模块将光学系统与传感器进行隔离，有效提高传感器的稳定性。采用多级气体过滤装置进行气体预处理，并将GPS和风速仪集成于传感器，开展了校园内手推车式泄漏源探测和面向城市燃气泄漏检测的车载移动探测，验证了传感器系统的性能。 本论文的创新点：为了检测大气CH4/C2H6的浓度，设计了光程为9.39m的密集光斑型气室和光程为2.5km的离轴积分腔，研制了两种CH4/C2H6双组分气体传感器系统。通过大气监测实验和模拟泄漏源定位实验，验证了传感器系统的性能，并实现了城市燃气泄漏源的快速定位。
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