激光甲烷传感器相关理论及其检测方法研究 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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樊荣 著

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出版社： 西安电子科技大学出版社

ISBN：9787560645995

商品编码：29344369951

包装：平装

出版时间：2017-12-01

图书基本信息
图书名称	激光甲烷传感器相关理论及其检测方法研究
作者	樊荣
定价	30.00元
出版社	西安电子科技大学出版社
ISBN	9787560645995
出版日期	2017-12-01
字数
页码
版次	1
装帧	平装
开本	16
商品重量	0.4Kg

内容简介

本书针对煤矿生产环境，主要研究激光检测甲烷相关理论及其方法。全书共分为8章，章和第2章为研究背景及甲烷吸收光谱理论基础研究，给出并建立激光气体检测系统；第3、4、5、6章为激光检测甲烷具体方法研究，以及在矿井温度、压力影响下激光测量甲烷算法研究。其中，第3章为激光器温度控制算法及谐波信号检测设计，第4章为温度、气压对测量的影响分析及补偿方法，第5章为基于专家系统逼近的激光器温度突变控制方法，第6章为甲烷气体的多点检测复用及其贝叶斯融合算法。第7章为激光甲烷传感器实验测试及现场应用。第8章介绍了相关研究工作的结论与展望。在附录中给出中煤科工集团重庆研究院有限公司测控分院与课题研究相关的煤矿检测与监控设备，以及这些设备的相关参数与应用情况。 n 本书可供自动化、测控、通信、安全及相关专业高校师生和有关工程技术人员参考学习。 n

作者简介

目录

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文摘

序言

《光电探测技术及其在环境监测中的应用》 内容简介 本书系统阐述了光电探测技术的基本原理、关键技术及在环境监测领域的广泛应用。内容涵盖了光电探测器的种类、工作机制、性能参数，以及光信号的产生、传输、处理和分析等关键环节。同时，本书深入探讨了如何利用先进的光电探测技术，实现对空气质量、水体污染、土壤退化以及生态环境变化的精准监测与评估。 第一章 光电探测基础理论 本章旨在为读者构建扎实的理论基础，理解光电探测的核心概念。 1.1 光与物质相互作用的基本原理 1.1.1 光的性质：介绍光作为电磁波的基本特性，包括波长、频率、能量（光子说）、光强、偏振等。阐述光的量子特性，如光子的概念及其能量与频率的关系（E=hν）。 1.1.2 物质与光的相互作用：详述物质与光发生相互作用的几种主要方式：吸收、透射、反射、散射、折射、衍射。重点分析吸收和散射现象在光电探测中的意义，例如，特定物质对特定波长光的吸收特性是实现选择性检测的基础。 1.1.3 光电效应：深入讲解光电效应的几种类型，包括外光电效应、内光电效应和光电导效应。 外光电效应：描述光照射到金属表面，引起电子逸出的现象。介绍光电管的工作原理，涉及光电阴极、阳极、真空管结构以及光电流的产生。 内光电效应：解释光照射到半导体材料，引起载流子（电子-空穴对）产生或迁移的现象。这是半导体光电器件（如光电二极管、光电倍增管）的核心原理。 光电导效应：说明光照引起半导体材料电导率增加的现象，是光电导探测器的基本原理。 1.2 光电探测器的分类与工作原理 1.2.1 按响应机制分类： 光子型探测器：基于光子能量直接引起载流子产生或跃迁的效应。例如，光电二极管、光电倍增管、红外探测器。 热型探测器：基于光吸收后引起温度变化，进而产生可测量信号的效应。例如，热电偶、热敏电阻、焦电探测器。 1.2.2 按工作光谱范围分类： 紫外探测器 可见光探测器 红外探测器：介绍不同红外探测器的材料特性（如HgCdTe, InSb, PbS等）及其对不同红外波段的响应。 多光谱/高光谱探测器：描述能同时或连续探测多个窄光谱波段的光的探测器。 1.2.3 主要光电探测器的工作原理： 光电二极管（Photodiode）：详细介绍PN结、PIN结、雪崩光电二极管（APD）的工作原理。分析光照如何改变PN结的耗尽区宽度和载流子浓度，从而产生光电流。阐述正向偏置、反向偏置和零偏置模式下的工作特点。 光电倍增管（Photomultiplier Tube, PMT）：讲解其结构，包括光电阴极、聚焦电极、串联的倍增极（Dynodes）和阳极。描述光子触发电子发射，电子在电场作用下加速并轰击倍增极，产生二次电子，经过多级倍增后形成可检测的强电流信号的过程。 光电导探测器（Photoconductive Detector）：介绍其材料（如CdS, CdSe, PbS）特性，光照引起材料导电性增强的机理。 焦电探测器（Pyroelectric Detector）：阐述焦电材料在温度变化时表面产生电荷的原理，以及如何将其转化为电信号。适用于红外探测。 热电堆（Thermopile）：解释多个热电偶串联，利用温差效应测量辐射功率的原理。 1.3 光电探测器的性能参数 1.3.1 灵敏度（Sensitivity）：定义为输出信号随输入光信号变化的比率。包括电流灵敏度（A/W）和电压灵敏度（V/W）。 1.3.2 响应时间（Response Time）：描述探测器对光信号变化的响应速度，通常用上升时间（Rise Time）和下降时间（Fall Time）来表征。 1.3.3 探测度（Detectivity, D）：综合考虑探测器的灵敏度、噪声和响应面积的性能指标，单位为 Jones (cm·Hz^1/2/W)。D 越高，探测器性能越好。 1.3.4 噪声等效功率（Noise Equivalent Power, NEP）：指产生与输出噪声信号相同大小输出所需的最小光功率，单位为 W/Hz^1/2。NEP 越小，探测器越灵敏。 1.3.5 响应带宽（Bandwidth）：探测器能够有效响应的频率范围。 1.3.6 光谱响应范围（Spectral Response Range）：探测器对不同波长光的响应能力的范围。 1.3.7 量子效率（Quantum Efficiency, QE）：指入射光子中能够产生一个光电载流子的比例，通常以百分比表示。 第二章 光信号的产生、处理与传输 本章聚焦于光信号在实际应用中的生成、优化及有效传递。 2.1 光源的选择与设计 2.1.1 光源类型：介绍不同光源的特性，如发光二极管（LED）、激光器（Laser）、卤素灯、氙灯等。 2.1.2 激光器的原理与特点：深入讲解激光产生机制，包括受激辐射、粒子数反转、光学谐振腔。分析激光器的主要特点：单色性好、方向性强、相干性高、亮度高。 2.1.3 光源参数的选择：根据应用需求（如光谱特性、功率、稳定性、调制能力）选择合适的光源。例如，特定波长激光器用于选择性吸收检测。 2.2 光信号的调制与解调 2.2.1 光信号调制技术：解释为何需要调制（提高信噪比、避免环境干扰、实现多路复用）。介绍幅度调制（AM）、频率调制（FM）、脉冲调制（如PWM、PPM）等技术。 2.2.2 调制技术在光电探测中的应用：例如，通过调制光源来区分来自光源的信号与背景噪声，提高信噪比。 2.2.3 光信号解调技术：描述如何从带有信息的调制光信号中恢复出原始信息。 2.3 光学元件与光路设计 2.3.1 透镜与反射镜：介绍不同类型透镜（凸透镜、凹透镜、菲涅尔透镜）和反射镜（平面镜、球面镜）的光学功能，如聚焦、准直、成像。 2.3.2 光学滤波器：讲解不同类型滤波器的作用，包括带通滤波器、带阻滤波器、长通滤波器、短通滤波器，以及如何利用它们选择特定波长范围的光。 2.3.3 光纤技术：介绍光纤的种类（单模光纤、多模光纤）和传输原理。阐述光纤在传输光信号、连接光学元件中的优势（低损耗、抗电磁干扰、柔性）。 2.3.4 光路设计原则：如何根据应用需求，合理设计光路，实现光信号的有效传输、聚焦、准直和采集，减少损耗和杂散光。 2.4 信号放大与处理 2.4.1 信号放大器：介绍不同类型的电子放大器，如跨阻放大器（TIA）、运算放大器（Op-amp），以及其在增强微弱光信号方面的作用。 2.4.2 信号调理电路：包括滤波（低通、高通）、限幅、偏置等，用于优化信号质量，去除噪声。 2.4.3 数模转换（ADC）：介绍ADC的基本原理和不同类型（逐次逼近型、Σ-Δ型等），以及如何将模拟光电信号转换为数字信号以便进一步处理。 2.4.4 数字信号处理（DSP）：介绍常见的数字信号处理技术，如傅里叶变换、滤波、卷积、小波分析等，用于从数字信号中提取有效信息，去除噪声，进行特征分析。 第三章 光电探测技术在环境监测中的应用 本章将光电探测的理论知识与实际应用相结合，重点阐述其在环境监测领域的价值。 3.1 空气质量监测 3.1.1 气体成分分析： 气体吸收光谱技术：利用气体分子在特定波长处吸收光的特性进行定量分析。例如，红外光谱用于CO, CO2, CH4等气体的检测；紫外吸收光谱用于O3, SO2, NO2等气体的检测。介绍Beer-Lambert定律在定量分析中的应用。 激光雷达（Lidar）技术：通过发射激光束并分析其与大气中颗粒物或气体分子相互作用后返回的信号，反演出大气的垂直廓线信息，如气溶胶浓度、云层高度、温室气体分布等。 差分吸收激光雷达（DIAL）：一种先进的激光雷达技术，通过发射两个不同但接近的光谱线（一个在目标气体吸收峰，一个在吸收谷）的激光，通过比较返回信号的差异来精确测量目标气体的浓度。 3.1.2 气溶胶与颗粒物监测： 散射光法：利用激光或LED照射颗粒物，测量散射光的强度和角度分布，从而推断颗粒物的浓度、粒径分布和光学特性。 透射光法：测量光穿过含有颗粒物的介质后的衰减程度，用于估算颗粒物的质量浓度。 3.1.3 挥发性有机化合物（VOCs）监测： 光离子化探测器（PID）：利用紫外光照射VOCs分子，使其电离产生带电粒子，并通过测量产生的电流来检测VOCs。 激光诱导荧光（LIF）：某些VOCs在特定波长激光激发下会发出荧光，通过测量荧光强度和光谱来识别和定量。 3.2 水体污染监测 3.2.1 水质参数测量： 浊度测量：利用光散射原理，测量水中悬浮颗粒物对光的散射强度，反映水的浑浊程度。 溶解氧（DO）测量：基于荧光猝灭原理，某些荧光物质的荧光强度会随水中氧气浓度的增加而减弱，通过测量荧光强度的变化来推算DO浓度。 pH值、电导率等参数的在线光学监测：虽然pH和电导率的传统测量方法不是光学，但一些先进的水质传感器集成了光学元件，用于辅助测量或与其他光学参数（如溶解有机物荧光）联动。 3.2.2 污染物检测： 荧光光谱法：许多水体中的污染物，如多环芳烃（PAHs）、石油类物质、叶绿素等，具有特定的荧光特性。通过测量其在不同波长下的荧光发射光谱，可以实现对这些污染物的识别和定量。 拉曼光谱（Raman Spectroscopy）：水分子或污染物分子在激光激发下会产生拉曼散射光，其频率与分子振动有关，形成特征光谱。拉曼光谱具有高选择性和灵敏度，可用于痕量污染物的鉴定。 激光诱导击穿光谱（LIBS）：利用高能激光束在水体表面产生等离子体，分析等离子体发射的光谱，可以快速检测水体中的重金属元素。 3.3 土壤环境监测 3.3.1 土壤成分分析： 近红外光谱（NIRS）：土壤中的有机质、水分、粘土矿物等成分在近红外区域有吸收特征。通过NIRS技术可以快速、无损地分析土壤的有机质含量、水分含量、部分矿物质成分等。 高光谱成像技术：将高光谱分析与成像技术结合，可以获得空间分辨的光谱信息，用于绘制土壤养分分布图、土壤退化区域图等。 3.3.2 土壤污染物检测： 荧光光谱法：检测土壤中的有机污染物，如多环芳烃、农药残留等。 LIBS技术：用于土壤中重金属元素的现场快速检测。 3.4 生态环境监测与遥感 3.4.1 植被监测： 叶绿素荧光（Chlorophyll Fluorescence）：植物在受到光照时会发出叶绿素荧光，其强度和光谱特性与植物的健康状况、光合作用效率密切相关。利用荧光光谱仪可监测植被的生理状态。 光谱指数（Spectral Indices）：基于卫星或航空遥感影像，利用不同光谱波段的组合计算出能够反映植被覆盖度、健康度、物候期等信息的指数，如NDVI（归一化植被指数）。 3.4.2 水体遥感： 叶绿素浓度反演：利用遥感卫星的光谱数据，反演出水体中叶绿素的浓度，用于评估水体富营养化程度。 悬浮物浓度估算：通过分析遥感影像中水体对不同波段光的反射特性，估算水体中的悬浮物含量。 3.4.3 森林火灾监测： 红外探测技术：利用卫星搭载的红外传感器监测地表温度异常，及时发现森林火情。 激光扫描（LiDAR）：用于获取森林的精细三维结构信息，评估火灾风险和燃烧后的损害程度。 第四章 光电探测系统的设计与集成 本章将理论知识应用于实践，指导读者如何设计和构建一套完整的光电探测系统。 4.1 系统需求分析与设计流程 4.1.1 明确监测目标与参数：确定需要监测的环境介质、目标污染物或参数，以及所需的精度、灵敏度、响应速度等。 4.1.2 技术路线选择：基于监测目标，选择合适的光电探测原理、光源、探测器和光学元件。 4.1.3 系统结构设计：划分系统模块，包括光源单元、信号采集单元、信号处理单元、数据输出单元等，并确定各模块之间的接口。 4.1.4 元件选型与匹配：根据设计要求，选择性能匹配的光源、探测器、光学元件、电子器件等。 4.1.5 软件与算法设计：开发数据采集、信号处理、数据分析、结果显示的软件，以及必要的校准和标定算法。 4.2 光源模块设计 4.2.1 光源稳定性与可靠性：确保光源输出功率、波长等参数的稳定，并满足长期工作的要求。 4.2.2 光源功率与光束质量：根据探测距离和目标特性，合理设计光源的输出功率和光束的准直性、发散角。 4.2.3 光源的驱动与控制：设计稳定可靠的光源驱动电路，并实现光源的开关、调制等控制功能。 4.3 信号采集模块设计 4.3.1 探测器选型与优化：根据待测信号的特性，选择合适的探测器，并根据其工作特性进行优化（如偏置电压、工作温度）。 4.3.2 前置放大电路设计：设计低噪声、高增益的前置放大电路，用于放大探测器输出的微弱信号。 4.3.3 滤波与抗干扰设计：设计滤波器去除不相关的噪声信号，并采取有效的电磁屏蔽、接地等措施防止外部干扰。 4.4 信号处理与数据分析模块 4.4.1 模拟信号处理：如通过ADC将模拟信号转换为数字信号，进一步进行数字滤波、信号整形等。 4.4.2 数字信号处理算法：实现基于特定物理原理的算法，如谱峰拟合、回归分析、机器学习模型等，用于从处理后的信号中提取有意义的环境信息。 4.4.3 数据校准与标定：设计并执行严格的校准和标定程序，确保测量结果的准确性和可靠性。 4.5 系统集成与测试 4.5.1 模块化设计与互联：确保各模块之间接口的规范性和兼容性。 4.5.2 系统联调与优化：将各模块集成后进行整体联调，发现并解决集成过程中出现的问题，并对系统性能进行优化。 4.5.3 实地测试与验证：在实际应用场景中进行系统的长期测试和验证，评估其在真实环境下的性能表现，并根据测试结果进行进一步改进。 第五章 前沿技术与发展趋势 本章展望光电探测技术在环境监测领域的新进展和未来发展方向。 5.1 纳米材料与微型化器件 5.1.1 纳米材料在光电探测中的应用：如量子点、纳米线、石墨烯等，其独特的光电特性可以显著提升探测器的灵敏度和响应速度。 5.1.2 微型化与集成化探测系统：发展小型化、便携式、可穿戴的光电探测设备，实现分布式、高密度的环境监测网络。 5.2 智能传感器与物联网（IoT） 5.2.1 机器学习与人工智能（AI）在数据分析中的应用：利用AI算法自动识别、分类和预测环境变化，提升监测效率和预警能力。 5.2.2 物联网技术在环境监测中的整合：将光电传感器与通信网络、云计算平台结合，实现环境数据的实时采集、传输、存储和共享。 5.3 新型光谱技术与多模态融合 5.3.1 超光谱与多光谱成像技术的进步：提供更精细的光谱分辨率和空间分辨率，实现对复杂环境更精准的识别和分析。 5.3.2 多模态数据融合：将来自不同类型光电传感器（如可见光、红外、激光雷达）以及非光学传感器（如化学传感器、气象传感器）的数据进行融合，获得更全面、更准确的环境信息。 5.4 绿色与可持续发展 5.4.1 环境友好的探测技术：开发低功耗、低能耗的探测设备，减少环境监测活动本身对环境的影响。 5.4.2 应对气候变化与环境污染的新需求：光电探测技术将在碳捕获、能源监测、污染溯源等领域发挥越来越重要的作用。 本书力求为读者提供一个全面、深入的光电探测技术知识体系，并揭示其在守护地球家园中的巨大潜力和现实意义。通过学习本书，读者将能够理解光电探测的奥秘，掌握其应用方法，并为推动环境监测技术的发展贡献力量。

评分☆☆☆☆☆

这本书的价值，在我看来，远不止于对激光甲烷传感器理论的介绍，更在于它对检测方法的多维度探索。读这本书的过程，就像是在一步步解锁更高级的探测技术。它详细介绍了干涉式、非干涉式以及光声光谱等多种检测原理，并且对每种方法的数学模型和物理基础都进行了严谨的推导和阐述。我特别喜欢书中对信号处理技术的部分，如何从复杂的背景噪声中提取出微弱的甲烷信号，这部分内容简直是干货满满。各种滤波算法、匹配滤波、降噪技术都被一一列举，并且辅以直观的图示和代码示例（虽然我还没来得急去运行代码），这对于我这种希望将理论付诸实践的人来说，简直是福音。书中还探讨了如何优化传感器的设计，包括光学路径的设计、探测器的选择以及温控系统的构建，这些细节的处理，都显示出作者在实践经验上的深厚积累。我感觉这本书能够很好地弥合理论与实践之间的鸿沟，让我对如何从零开始设计一个高性能的激光甲烷传感器有了更清晰的思路。

评分☆☆☆☆☆

这本书的价值，在我看来，还在于它对于激光甲烷传感器前沿研究的洞察。我之所以会选择这本书，是因为我对这个领域的发展趋势非常感兴趣，而这本书恰恰满足了我的好奇心。书中在对现有成熟的检测技术进行系统梳理之后，并没有止步不前，而是花了不少篇幅探讨了一些正在发展中或者具有潜力的检测技术。例如，它深入分析了如何利用机器学习和人工智能来优化甲烷信号的识别和分析，这为我提供了一个全新的视角。书中还对一些新型探测器的研究进展进行了介绍，比如微型化、高灵敏度的探测器，这对于实现便携式、低成本的甲烷传感器具有重要的意义。此外，对于如何在复杂环境，如工业现场、大气监测等场景下，提高激光甲烷传感器的鲁棒性和可靠性，书中也给出了一些富有启发性的思考和解决方案。这本书让我感觉自己站在了技术发展的最前沿，对于未来的研究方向有了更清晰的认识。

评分☆☆☆☆☆

这本书真是让人眼前一亮，在拿到它之前，我完全没预料到关于激光甲烷传感器的理论能够被如此深入浅出地阐述。我本来以为会是一本充斥着枯燥公式和晦涩术语的学术专著，但翻开扉页，我就被它清晰的逻辑和循序渐进的讲解所吸引。作者在开篇就非常巧妙地引出了激光甲烷传感器的基本原理，从光与物质的相互作用讲起，然后逐步深入到激光的特性以及甲烷分子如何与特定波长的激光发生共振吸收。整个过程，我感觉自己就像一个初学者，在一位经验丰富的导师的带领下，一点点揭开激光甲烷探测的神秘面纱。书中对不同激光器类型，比如半导体激光器、固体激光器等在甲烷探测中的应用进行了详细的对比分析，它们各自的优缺点、适用场景都讲解得非常到位，这对于我这种想要了解技术全貌的读者来说，非常有价值。而且，书中不仅仅停留在理论层面，还开始探讨了实际应用中的一些挑战，比如环境干扰、信号处理等等，这些都让我对这项技术有了更全面的认识。

评分☆☆☆☆☆

尽管我才刚刚接触这本书不久，但我已经被其中对激光甲烷传感器核心理论的深刻剖析所折服。作者在处理复杂的物理概念时，表现出了极强的概括和提炼能力。例如，在讲解朗伯-比尔定律在甲烷浓度测量中的应用时，书中不仅给出了公式，还详细分析了影响吸收系数的各种因素，比如气体温度、压力以及激光器的谱线宽度等，并且通过大量的图表来直观地展示这些参数变化对测量结果的影响。我尤其欣赏书中关于光谱测量技术的论述，各种光谱分析方法，比如傅里叶变换光谱、调频光谱等，在甲烷探测中的优势和局限性都被清晰地阐释。这对于我理解不同探测技术之间的差异，以及选择最适合特定场景的技术方案，提供了坚实的理论基础。书中对误差分析和不确定度评估的部分，也做得非常细致，能够帮助读者理解并规避实际应用中可能遇到的各种测量误差。

评分☆☆☆☆☆

这本书在检测方法的探讨上，真的是将“研究”二字做到了极致。它并没有简单地罗列现有的方法，而是深入挖掘了不同检测原理背后的物理机制，并在此基础上，提出了许多富有创新性的思路。比如，在介绍基于腔增强吸收光谱（CEAS）的甲烷检测方法时，书中详细阐述了如何通过增加光程来提高灵敏度，并且对腔体的设计、激光器的耦合效率等关键因素进行了深入的分析。我印象特别深刻的是，作者还对一些新兴的检测技术，比如基于量子级联激光器（QCL）的THz光谱甲烷检测，以及基于表面等离激元共振（SPR）的甲烷传感进行了初步的探讨。虽然这些技术目前可能还在实验室阶段，但作者的介绍让我看到了激光甲烷传感器的未来发展方向，充满了无限的可能性。这本书的价值在于，它不仅教给你“是什么”，更引导你去思考“为什么”和“如何能更好”。