激光甲烷傳感器相關理論及其檢測方法研究 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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樊榮 著

圖書標籤:

• 激光甲烷傳感器
• 甲烷檢測
• 激光技術
• 氣體傳感器
• 環境監測
• 光譜技術
• 光學傳感器
• 大氣監測
• 傳感器技術
• 儀器儀錶

店鋪： 智博天恒圖書專營店

齣版社： 西安電子科技大學齣版社

ISBN：9787560645995

商品編碼：29344369951

包裝：平裝

齣版時間：2017-12-01

圖書基本信息
圖書名稱	激光甲烷傳感器相關理論及其檢測方法研究
作者	樊榮
定價	30.00元
齣版社	西安電子科技大學齣版社
ISBN	9787560645995
齣版日期	2017-12-01
字數
頁碼
版次	1
裝幀	平裝
開本	16
商品重量	0.4Kg

內容簡介

本書針對煤礦生産環境，主要研究激光檢測甲烷相關理論及其方法。全書共分為8章，章和第2章為研究背景及甲烷吸收光譜理論基礎研究，給齣並建立激光氣體檢測係統；第3、4、5、6章為激光檢測甲烷具體方法研究，以及在礦井溫度、壓力影響下激光測量甲烷算法研究。其中，第3章為激光器溫度控製算法及諧波信號檢測設計，第4章為溫度、氣壓對測量的影響分析及補償方法，第5章為基於專傢係統逼近的激光器溫度突變控製方法，第6章為甲烷氣體的多點檢測復用及其貝葉斯融閤算法。第7章為激光甲烷傳感器實驗測試及現場應用。第8章介紹瞭相關研究工作的結論與展望。在附錄中給齣中煤科工集團重慶研究院有限公司測控分院與課題研究相關的煤礦檢測與監控設備，以及這些設備的相關參數與應用情況。 n 本書可供自動化、測控、通信、安全及相關專業高校師生和有關工程技術人員參考學習。 n

作者簡介

目錄

編輯推薦

文摘

序言

《光電探測技術及其在環境監測中的應用》 內容簡介 本書係統闡述瞭光電探測技術的基本原理、關鍵技術及在環境監測領域的廣泛應用。內容涵蓋瞭光電探測器的種類、工作機製、性能參數，以及光信號的産生、傳輸、處理和分析等關鍵環節。同時，本書深入探討瞭如何利用先進的光電探測技術，實現對空氣質量、水體汙染、土壤退化以及生態環境變化的精準監測與評估。 第一章 光電探測基礎理論 本章旨在為讀者構建紮實的理論基礎，理解光電探測的核心概念。 1.1 光與物質相互作用的基本原理 1.1.1 光的性質：介紹光作為電磁波的基本特性，包括波長、頻率、能量（光子說）、光強、偏振等。闡述光的量子特性，如光子的概念及其能量與頻率的關係（E=hν）。 1.1.2 物質與光的相互作用：詳述物質與光發生相互作用的幾種主要方式：吸收、透射、反射、散射、摺射、衍射。重點分析吸收和散射現象在光電探測中的意義，例如，特定物質對特定波長光的吸收特性是實現選擇性檢測的基礎。 1.1.3 光電效應：深入講解光電效應的幾種類型，包括外光電效應、內光電效應和光電導效應。 外光電效應：描述光照射到金屬錶麵，引起電子逸齣的現象。介紹光電管的工作原理，涉及光電陰極、陽極、真空管結構以及光電流的産生。 內光電效應：解釋光照射到半導體材料，引起載流子（電子-空穴對）産生或遷移的現象。這是半導體光電器件（如光電二極管、光電倍增管）的核心原理。 光電導效應：說明光照引起半導體材料電導率增加的現象，是光電導探測器的基本原理。 1.2 光電探測器的分類與工作原理 1.2.1 按響應機製分類： 光子型探測器：基於光子能量直接引起載流子産生或躍遷的效應。例如，光電二極管、光電倍增管、紅外探測器。 熱型探測器：基於光吸收後引起溫度變化，進而産生可測量信號的效應。例如，熱電偶、熱敏電阻、焦電探測器。 1.2.2 按工作光譜範圍分類： 紫外探測器 可見光探測器 紅外探測器：介紹不同紅外探測器的材料特性（如HgCdTe, InSb, PbS等）及其對不同紅外波段的響應。 多光譜/高光譜探測器：描述能同時或連續探測多個窄光譜波段的光的探測器。 1.2.3 主要光電探測器的工作原理： 光電二極管（Photodiode）：詳細介紹PN結、PIN結、雪崩光電二極管（APD）的工作原理。分析光照如何改變PN結的耗盡區寬度和載流子濃度，從而産生光電流。闡述正嚮偏置、反嚮偏置和零偏置模式下的工作特點。 光電倍增管（Photomultiplier Tube, PMT）：講解其結構，包括光電陰極、聚焦電極、串聯的倍增極（Dynodes）和陽極。描述光子觸發電子發射，電子在電場作用下加速並轟擊倍增極，産生二次電子，經過多級倍增後形成可檢測的強電流信號的過程。 光電導探測器（Photoconductive Detector）：介紹其材料（如CdS, CdSe, PbS）特性，光照引起材料導電性增強的機理。 焦電探測器（Pyroelectric Detector）：闡述焦電材料在溫度變化時錶麵産生電荷的原理，以及如何將其轉化為電信號。適用於紅外探測。 熱電堆（Thermopile）：解釋多個熱電偶串聯，利用溫差效應測量輻射功率的原理。 1.3 光電探測器的性能參數 1.3.1 靈敏度（Sensitivity）：定義為輸齣信號隨輸入光信號變化的比率。包括電流靈敏度（A/W）和電壓靈敏度（V/W）。 1.3.2 響應時間（Response Time）：描述探測器對光信號變化的響應速度，通常用上升時間（Rise Time）和下降時間（Fall Time）來錶徵。 1.3.3 探測度（Detectivity, D）：綜閤考慮探測器的靈敏度、噪聲和響應麵積的性能指標，單位為 Jones (cm·Hz^1/2/W)。D 越高，探測器性能越好。 1.3.4 噪聲等效功率（Noise Equivalent Power, NEP）：指産生與輸齣噪聲信號相同大小輸齣所需的最小光功率，單位為 W/Hz^1/2。NEP 越小，探測器越靈敏。 1.3.5 響應帶寬（Bandwidth）：探測器能夠有效響應的頻率範圍。 1.3.6 光譜響應範圍（Spectral Response Range）：探測器對不同波長光的響應能力的範圍。 1.3.7 量子效率（Quantum Efficiency, QE）：指入射光子中能夠産生一個光電載流子的比例，通常以百分比錶示。 第二章 光信號的産生、處理與傳輸 本章聚焦於光信號在實際應用中的生成、優化及有效傳遞。 2.1 光源的選擇與設計 2.1.1 光源類型：介紹不同光源的特性，如發光二極管（LED）、激光器（Laser）、鹵素燈、氙燈等。 2.1.2 激光器的原理與特點：深入講解激光産生機製，包括受激輻射、粒子數反轉、光學諧振腔。分析激光器的主要特點：單色性好、方嚮性強、相乾性高、亮度高。 2.1.3 光源參數的選擇：根據應用需求（如光譜特性、功率、穩定性、調製能力）選擇閤適的光源。例如，特定波長激光器用於選擇性吸收檢測。 2.2 光信號的調製與解調 2.2.1 光信號調製技術：解釋為何需要調製（提高信噪比、避免環境乾擾、實現多路復用）。介紹幅度調製（AM）、頻率調製（FM）、脈衝調製（如PWM、PPM）等技術。 2.2.2 調製技術在光電探測中的應用：例如，通過調製光源來區分來自光源的信號與背景噪聲，提高信噪比。 2.2.3 光信號解調技術：描述如何從帶有信息的調製光信號中恢復齣原始信息。 2.3 光學元件與光路設計 2.3.1 透鏡與反射鏡：介紹不同類型透鏡（凸透鏡、凹透鏡、菲涅爾透鏡）和反射鏡（平麵鏡、球麵鏡）的光學功能，如聚焦、準直、成像。 2.3.2 光學濾波器：講解不同類型濾波器的作用，包括帶通濾波器、帶阻濾波器、長通濾波器、短通濾波器，以及如何利用它們選擇特定波長範圍的光。 2.3.3 光縴技術：介紹光縴的種類（單模光縴、多模光縴）和傳輸原理。闡述光縴在傳輸光信號、連接光學元件中的優勢（低損耗、抗電磁乾擾、柔性）。 2.3.4 光路設計原則：如何根據應用需求，閤理設計光路，實現光信號的有效傳輸、聚焦、準直和采集，減少損耗和雜散光。 2.4 信號放大與處理 2.4.1 信號放大器：介紹不同類型的電子放大器，如跨阻放大器（TIA）、運算放大器（Op-amp），以及其在增強微弱光信號方麵的作用。 2.4.2 信號調理電路：包括濾波（低通、高通）、限幅、偏置等，用於優化信號質量，去除噪聲。 2.4.3 數模轉換（ADC）：介紹ADC的基本原理和不同類型（逐次逼近型、Σ-Δ型等），以及如何將模擬光電信號轉換為數字信號以便進一步處理。 2.4.4 數字信號處理（DSP）：介紹常見的數字信號處理技術，如傅裏葉變換、濾波、捲積、小波分析等，用於從數字信號中提取有效信息，去除噪聲，進行特徵分析。 第三章 光電探測技術在環境監測中的應用 本章將光電探測的理論知識與實際應用相結閤，重點闡述其在環境監測領域的價值。 3.1 空氣質量監測 3.1.1 氣體成分分析： 氣體吸收光譜技術：利用氣體分子在特定波長處吸收光的特性進行定量分析。例如，紅外光譜用於CO, CO2, CH4等氣體的檢測；紫外吸收光譜用於O3, SO2, NO2等氣體的檢測。介紹Beer-Lambert定律在定量分析中的應用。 激光雷達（Lidar）技術：通過發射激光束並分析其與大氣中顆粒物或氣體分子相互作用後返迴的信號，反演齣大氣的垂直廓綫信息，如氣溶膠濃度、雲層高度、溫室氣體分布等。 差分吸收激光雷達（DIAL）：一種先進的激光雷達技術，通過發射兩個不同但接近的光譜綫（一個在目標氣體吸收峰，一個在吸收榖）的激光，通過比較返迴信號的差異來精確測量目標氣體的濃度。 3.1.2 氣溶膠與顆粒物監測： 散射光法：利用激光或LED照射顆粒物，測量散射光的強度和角度分布，從而推斷顆粒物的濃度、粒徑分布和光學特性。 透射光法：測量光穿過含有顆粒物的介質後的衰減程度，用於估算顆粒物的質量濃度。 3.1.3 揮發性有機化閤物（VOCs）監測： 光離子化探測器（PID）：利用紫外光照射VOCs分子，使其電離産生帶電粒子，並通過測量産生的電流來檢測VOCs。 激光誘導熒光（LIF）：某些VOCs在特定波長激光激發下會發齣熒光，通過測量熒光強度和光譜來識彆和定量。 3.2 水體汙染監測 3.2.1 水質參數測量： 濁度測量：利用光散射原理，測量水中懸浮顆粒物對光的散射強度，反映水的渾濁程度。 溶解氧（DO）測量：基於熒光猝滅原理，某些熒光物質的熒光強度會隨水中氧氣濃度的增加而減弱，通過測量熒光強度的變化來推算DO濃度。 pH值、電導率等參數的在綫光學監測：雖然pH和電導率的傳統測量方法不是光學，但一些先進的水質傳感器集成瞭光學元件，用於輔助測量或與其他光學參數（如溶解有機物熒光）聯動。 3.2.2 汙染物檢測： 熒光光譜法：許多水體中的汙染物，如多環芳烴（PAHs）、石油類物質、葉綠素等，具有特定的熒光特性。通過測量其在不同波長下的熒光發射光譜，可以實現對這些汙染物的識彆和定量。 拉曼光譜（Raman Spectroscopy）：水分子或汙染物分子在激光激發下會産生拉曼散射光，其頻率與分子振動有關，形成特徵光譜。拉曼光譜具有高選擇性和靈敏度，可用於痕量汙染物的鑒定。 激光誘導擊穿光譜（LIBS）：利用高能激光束在水體錶麵産生等離子體，分析等離子體發射的光譜，可以快速檢測水體中的重金屬元素。 3.3 土壤環境監測 3.3.1 土壤成分分析： 近紅外光譜（NIRS）：土壤中的有機質、水分、粘土礦物等成分在近紅外區域有吸收特徵。通過NIRS技術可以快速、無損地分析土壤的有機質含量、水分含量、部分礦物質成分等。 高光譜成像技術：將高光譜分析與成像技術結閤，可以獲得空間分辨的光譜信息，用於繪製土壤養分分布圖、土壤退化區域圖等。 3.3.2 土壤汙染物檢測： 熒光光譜法：檢測土壤中的有機汙染物，如多環芳烴、農藥殘留等。 LIBS技術：用於土壤中重金屬元素的現場快速檢測。 3.4 生態環境監測與遙感 3.4.1 植被監測： 葉綠素熒光（Chlorophyll Fluorescence）：植物在受到光照時會發齣葉綠素熒光，其強度和光譜特性與植物的健康狀況、光閤作用效率密切相關。利用熒光光譜儀可監測植被的生理狀態。 光譜指數（Spectral Indices）：基於衛星或航空遙感影像，利用不同光譜波段的組閤計算齣能夠反映植被覆蓋度、健康度、物候期等信息的指數，如NDVI（歸一化植被指數）。 3.4.2 水體遙感： 葉綠素濃度反演：利用遙感衛星的光譜數據，反演齣水體中葉綠素的濃度，用於評估水體富營養化程度。 懸浮物濃度估算：通過分析遙感影像中水體對不同波段光的反射特性，估算水體中的懸浮物含量。 3.4.3 森林火災監測： 紅外探測技術：利用衛星搭載的紅外傳感器監測地錶溫度異常，及時發現森林火情。 激光掃描（LiDAR）：用於獲取森林的精細三維結構信息，評估火災風險和燃燒後的損害程度。 第四章 光電探測係統的設計與集成 本章將理論知識應用於實踐，指導讀者如何設計和構建一套完整的光電探測係統。 4.1 係統需求分析與設計流程 4.1.1 明確監測目標與參數：確定需要監測的環境介質、目標汙染物或參數，以及所需的精度、靈敏度、響應速度等。 4.1.2 技術路綫選擇：基於監測目標，選擇閤適的光電探測原理、光源、探測器和光學元件。 4.1.3 係統結構設計：劃分係統模塊，包括光源單元、信號采集單元、信號處理單元、數據輸齣單元等，並確定各模塊之間的接口。 4.1.4 元件選型與匹配：根據設計要求，選擇性能匹配的光源、探測器、光學元件、電子器件等。 4.1.5 軟件與算法設計：開發數據采集、信號處理、數據分析、結果顯示的軟件，以及必要的校準和標定算法。 4.2 光源模塊設計 4.2.1 光源穩定性與可靠性：確保光源輸齣功率、波長等參數的穩定，並滿足長期工作的要求。 4.2.2 光源功率與光束質量：根據探測距離和目標特性，閤理設計光源的輸齣功率和光束的準直性、發散角。 4.2.3 光源的驅動與控製：設計穩定可靠的光源驅動電路，並實現光源的開關、調製等控製功能。 4.3 信號采集模塊設計 4.3.1 探測器選型與優化：根據待測信號的特性，選擇閤適的探測器，並根據其工作特性進行優化（如偏置電壓、工作溫度）。 4.3.2 前置放大電路設計：設計低噪聲、高增益的前置放大電路，用於放大探測器輸齣的微弱信號。 4.3.3 濾波與抗乾擾設計：設計濾波器去除不相關的噪聲信號，並采取有效的電磁屏蔽、接地等措施防止外部乾擾。 4.4 信號處理與數據分析模塊 4.4.1 模擬信號處理：如通過ADC將模擬信號轉換為數字信號，進一步進行數字濾波、信號整形等。 4.4.2 數字信號處理算法：實現基於特定物理原理的算法，如譜峰擬閤、迴歸分析、機器學習模型等，用於從處理後的信號中提取有意義的環境信息。 4.4.3 數據校準與標定：設計並執行嚴格的校準和標定程序，確保測量結果的準確性和可靠性。 4.5 係統集成與測試 4.5.1 模塊化設計與互聯：確保各模塊之間接口的規範性和兼容性。 4.5.2 係統聯調與優化：將各模塊集成後進行整體聯調，發現並解決集成過程中齣現的問題，並對係統性能進行優化。 4.5.3 實地測試與驗證：在實際應用場景中進行係統的長期測試和驗證，評估其在真實環境下的性能錶現，並根據測試結果進行進一步改進。 第五章 前沿技術與發展趨勢 本章展望光電探測技術在環境監測領域的新進展和未來發展方嚮。 5.1 納米材料與微型化器件 5.1.1 納米材料在光電探測中的應用：如量子點、納米綫、石墨烯等，其獨特的光電特性可以顯著提升探測器的靈敏度和響應速度。 5.1.2 微型化與集成化探測係統：發展小型化、便攜式、可穿戴的光電探測設備，實現分布式、高密度的環境監測網絡。 5.2 智能傳感器與物聯網（IoT） 5.2.1 機器學習與人工智能（AI）在數據分析中的應用：利用AI算法自動識彆、分類和預測環境變化，提升監測效率和預警能力。 5.2.2 物聯網技術在環境監測中的整閤：將光電傳感器與通信網絡、雲計算平颱結閤，實現環境數據的實時采集、傳輸、存儲和共享。 5.3 新型光譜技術與多模態融閤 5.3.1 超光譜與多光譜成像技術的進步：提供更精細的光譜分辨率和空間分辨率，實現對復雜環境更精準的識彆和分析。 5.3.2 多模態數據融閤：將來自不同類型光電傳感器（如可見光、紅外、激光雷達）以及非光學傳感器（如化學傳感器、氣象傳感器）的數據進行融閤，獲得更全麵、更準確的環境信息。 5.4 綠色與可持續發展 5.4.1 環境友好的探測技術：開發低功耗、低能耗的探測設備，減少環境監測活動本身對環境的影響。 5.4.2 應對氣候變化與環境汙染的新需求：光電探測技術將在碳捕獲、能源監測、汙染溯源等領域發揮越來越重要的作用。 本書力求為讀者提供一個全麵、深入的光電探測技術知識體係，並揭示其在守護地球傢園中的巨大潛力和現實意義。通過學習本書，讀者將能夠理解光電探測的奧秘，掌握其應用方法，並為推動環境監測技術的發展貢獻力量。

評分☆☆☆☆☆

這本書的價值，在我看來，遠不止於對激光甲烷傳感器理論的介紹，更在於它對檢測方法的多維度探索。讀這本書的過程，就像是在一步步解鎖更高級的探測技術。它詳細介紹瞭乾涉式、非乾涉式以及光聲光譜等多種檢測原理，並且對每種方法的數學模型和物理基礎都進行瞭嚴謹的推導和闡述。我特彆喜歡書中對信號處理技術的部分，如何從復雜的背景噪聲中提取齣微弱的甲烷信號，這部分內容簡直是乾貨滿滿。各種濾波算法、匹配濾波、降噪技術都被一一列舉，並且輔以直觀的圖示和代碼示例（雖然我還沒來得急去運行代碼），這對於我這種希望將理論付諸實踐的人來說，簡直是福音。書中還探討瞭如何優化傳感器的設計，包括光學路徑的設計、探測器的選擇以及溫控係統的構建，這些細節的處理，都顯示齣作者在實踐經驗上的深厚積纍。我感覺這本書能夠很好地彌閤理論與實踐之間的鴻溝，讓我對如何從零開始設計一個高性能的激光甲烷傳感器有瞭更清晰的思路。

評分☆☆☆☆☆

這本書真是讓人眼前一亮，在拿到它之前，我完全沒預料到關於激光甲烷傳感器的理論能夠被如此深入淺齣地闡述。我本來以為會是一本充斥著枯燥公式和晦澀術語的學術專著，但翻開扉頁，我就被它清晰的邏輯和循序漸進的講解所吸引。作者在開篇就非常巧妙地引齣瞭激光甲烷傳感器的基本原理，從光與物質的相互作用講起，然後逐步深入到激光的特性以及甲烷分子如何與特定波長的激光發生共振吸收。整個過程，我感覺自己就像一個初學者，在一位經驗豐富的導師的帶領下，一點點揭開激光甲烷探測的神秘麵紗。書中對不同激光器類型，比如半導體激光器、固體激光器等在甲烷探測中的應用進行瞭詳細的對比分析，它們各自的優缺點、適用場景都講解得非常到位，這對於我這種想要瞭解技術全貌的讀者來說，非常有價值。而且，書中不僅僅停留在理論層麵，還開始探討瞭實際應用中的一些挑戰，比如環境乾擾、信號處理等等，這些都讓我對這項技術有瞭更全麵的認識。

評分☆☆☆☆☆

這本書在檢測方法的探討上，真的是將“研究”二字做到瞭極緻。它並沒有簡單地羅列現有的方法，而是深入挖掘瞭不同檢測原理背後的物理機製，並在此基礎上，提齣瞭許多富有創新性的思路。比如，在介紹基於腔增強吸收光譜（CEAS）的甲烷檢測方法時，書中詳細闡述瞭如何通過增加光程來提高靈敏度，並且對腔體的設計、激光器的耦閤效率等關鍵因素進行瞭深入的分析。我印象特彆深刻的是，作者還對一些新興的檢測技術，比如基於量子級聯激光器（QCL）的THz光譜甲烷檢測，以及基於錶麵等離激元共振（SPR）的甲烷傳感進行瞭初步的探討。雖然這些技術目前可能還在實驗室階段，但作者的介紹讓我看到瞭激光甲烷傳感器的未來發展方嚮，充滿瞭無限的可能性。這本書的價值在於，它不僅教給你“是什麼”，更引導你去思考“為什麼”和“如何能更好”。

評分☆☆☆☆☆

盡管我纔剛剛接觸這本書不久，但我已經被其中對激光甲烷傳感器核心理論的深刻剖析所摺服。作者在處理復雜的物理概念時，錶現齣瞭極強的概括和提煉能力。例如，在講解朗伯-比爾定律在甲烷濃度測量中的應用時，書中不僅給齣瞭公式，還詳細分析瞭影響吸收係數的各種因素，比如氣體溫度、壓力以及激光器的譜綫寬度等，並且通過大量的圖錶來直觀地展示這些參數變化對測量結果的影響。我尤其欣賞書中關於光譜測量技術的論述，各種光譜分析方法，比如傅裏葉變換光譜、調頻光譜等，在甲烷探測中的優勢和局限性都被清晰地闡釋。這對於我理解不同探測技術之間的差異，以及選擇最適閤特定場景的技術方案，提供瞭堅實的理論基礎。書中對誤差分析和不確定度評估的部分，也做得非常細緻，能夠幫助讀者理解並規避實際應用中可能遇到的各種測量誤差。

評分☆☆☆☆☆

這本書的價值，在我看來，還在於它對於激光甲烷傳感器前沿研究的洞察。我之所以會選擇這本書，是因為我對這個領域的發展趨勢非常感興趣，而這本書恰恰滿足瞭我的好奇心。書中在對現有成熟的檢測技術進行係統梳理之後，並沒有止步不前，而是花瞭不少篇幅探討瞭一些正在發展中或者具有潛力的檢測技術。例如，它深入分析瞭如何利用機器學習和人工智能來優化甲烷信號的識彆和分析，這為我提供瞭一個全新的視角。書中還對一些新型探測器的研究進展進行瞭介紹，比如微型化、高靈敏度的探測器，這對於實現便攜式、低成本的甲烷傳感器具有重要的意義。此外，對於如何在復雜環境，如工業現場、大氣監測等場景下，提高激光甲烷傳感器的魯棒性和可靠性，書中也給齣瞭一些富有啓發性的思考和解決方案。這本書讓我感覺自己站在瞭技術發展的最前沿，對於未來的研究方嚮有瞭更清晰的認識。