长光程吸收池在气体浓度光谱检测中的应用研究

研究了长光程吸收池在气体浓度检测中的重要地位和作用, 详细分析了6种不同结构原理的长光程气体吸收池,并比较了它们之间的优缺点。结合 气体浓度光谱检测的发展需求,阐明了长光程吸收池在外形紧凑可靠、造价低、光能 损失少、调节方便、等效光程易于计算以及抗干扰能力强等方面的发展趋势。     

基于开放式气室的光纤气体传感器的信号分析

根据信号处理理论,分析了开放式光纤气体传感器吸收池的光信号输出特性,提出了设计吸收池的判据,即腔片上复合光束相邻两光斑不重叠时,其输出特性与White型吸收池等效.在信号处理系统中,采用窄带滤波和相敏检波技术,使传感器的输出特性参数的对数值与待测气体浓度成正比.因此,可按Lambert定律对传感器定标.     

基于ZEMAX的气体光学吸收池的设计与优化

基于光谱吸收法的瓦斯实时监测系统的核心器件是开放式光学吸收池,根据矩阵传输理论和q参数的ABCD法则,设计了由2个相对的C-Lens组成的光学吸收池结构,并在ZEMAX的物理光学模式下实现仿真与优化。由理论分析得到结构的初步参数并在ZEMAX中进行优化,并使用合适的优化操作数对像差进行校正,经过逐步优化得到工作距离为100.39 mm的吸收池结构参数。高斯光束从一端光纤输出的束腰半经为5.2μm,经C-Lens聚焦和准直后,耦合到另一端光纤的束腰半经为5.48μm,该光学吸收池对甲烷近红外激光的耦合效率达到92%。通过实验验证了该光学吸收池的稳定性和高耦合效率,适用于甲烷气体的开放式光学气体传感和在线监测。     

基于气体池信号拼接的高精度调频连续波激光测距

在双光路调频连续波激光测距系统中,辅助光纤的长度标定精度直接影响了系统的测距精度。提出一种基于氰化氢气体池信号拼接的辅助光纤标定方法,通过提高辅助光纤标定精度进而提高系统测距精度。深入研究了基于氰化氢气体池标定方法的原理,为减小数据采集系统负担,利用信号拼接的方法进行改进。实验表明,与传统激光干涉仪的光纤标定方法相比,基于气体池拼接的标定方法具有更高的稳定性,同时,在3.8 m测量范围内,采用该标定方法的测距系统与干涉仪标准距离值误差不超过14μm,测量标准差低于17μm。     

新型光学吸收池的设计与数值模拟

为解决传统光学吸收池无法同时满足高光斑密度要求和低制造成本要求的问题,根据传输矩阵理论,提出了一种基于球面镜和柱面镜组合的新型吸收池设计。通过数值计算模拟,分析了吸收池内光束传输次数与结构参数、镜面旋转以及出射光斜率之间的关系。结果表明球面镜和柱面镜组合具有较好的抗干扰性能。给出了一种基长为65 mm、光程长为10 m的吸收池设计例子。该吸收池干涉效应较小,所占体积仅为0.29 L,适用于吸收光谱学等应用。     

乙炔气体浓度的TDLAS在线监测

介绍了利用可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术实现乙炔浓度在线监测的研究。该系统通过复合调制信号调制近红外分布反馈式二极管激光器（DFB LD）作为光源,光纤耦合器将激光分为两束,分别通过0.5 m封闭短光程气体吸收池和参考光路,双路接收采集含有气体浓度信息的测量光信号和参考光信号送后级处理,应用快速傅里叶变换（FFT）得到含有气体浓度信号的各次谐波检测分量,实现乙炔浓度信息反演,其中多次平均、数字滤波及背景扣除等数字信号处理技术被用于提高系统信噪比。通过理论分析和试验系统实验证明,该系统在软、硬件上的设计可以满足乙炔气体的在线监测,且系统体积小,光路调试和标定简单,便于实际应用。     

基于超窄线宽激光器的多气体光声光谱检测研究

针对多组分痕量气体检测中精确度差、灵敏度低等问题,设计了基于光源波长扫描技术的光声光谱式多组分痕量气体检测系统。系统采用单一超窄线宽半导体激光器作光源,设计了一阶纵向共振式多光程吸收光声池,通过正弦信号对光源波长进行调制,并结合二次谐波信号检测技术和超窄线宽激光特性,有效地消除了吸收池内的背景噪声和光源抖动的影响,实现...     

基于TDLAS技术的酒精气体浓度检测方法研究

为满足快速检测酒精气体浓度仪器的需求,研究了半导体激光器吸收光谱气体分析技术的基本原理,构建了一套调谐激光光谱技术与长光程池相结合的实验装置,详细介绍了测量系统的总体设计方案,从而解决了抗干扰性不高及分析速度缓慢等问题。重点对不同浓度的酒精气体进行特征峰值吸收测量实验,构建出酒精气体浓度检测TDLAS实验平台,为酒精气体浓度实时检测提供一定参考。     

VOCs在线监测气体吸收池的传输效率优化设计

为了满足环境监测需求,需要研制一种能够对挥发性有机化合物（VOCs）成分进行在线高灵敏度、高保真监测,并适用于傅里叶变换红外光谱探测配备的气体吸收池,采用光学追迹结合有限元分析的方法,分别对气体池物镜夹持调节机构与光学整体结构固定方式进行优化设计,较为有效地解决了在VOCs监测中气体池工作温度要求下光学器件形变校正的问题,可优化80℃~180℃工作范围内的光能传输效率。给出了一种适用于VOCs气体特定温度条件下吸收池出射能量优化设计的方法,并以此方法为基础,设计加工了一型气体吸收池,进行了热环境测试。结果表明,该吸收池具备在80℃~180℃工作范围内稳定的传输效率,能够应用到VOCs在线监测系统中进行测量。     

基于光纤光栅的差分式甲烷气体传感系统研究

根据甲烷分子的光谱吸收特性,研究设计了一套基于差分吸收技术的光纤传感系统.系统以发光二极管(LED)为光源,折返式吸收池作为气室,利用光纤光栅的窄带滤波特性,用双光路实现了差分吸收检测.分析和实验表明,该系统具有可行性,可用于煤矿、天然气站等领域进行远距离气体含量的实时监测.     

光谱吸收的煤矿瓦斯光纤传感气体分析

分析了气体光谱吸收基本原理,研究了一套光纤传感瓦斯系统,应用于某超化煤矿试验,并取得良好效果.指出基于光谱吸收的煤矿瓦斯光纤传感器,可用于对煤矿瓦斯气体进行大范围监测,也可在线连续监测井下瓦斯气体,其具有广阔的应用前景.     

国产傅立叶变换红外光谱温室气体在线监测仪及其在大气本底监测中的初步应用

大气温室气体的监测,是掌握温室气体浓度时空变化特征及其影响因素依据。而大气本底监测反映了较大范围内,因人类活动而造成的大气成份长期变化,是温室气体监测的基础数据。大气本底站附近温室气体浓度相对较低,年变化范围小,从而对温室气体连续监测技术精度与稳定性提出了更高的要求。本文基于傅立叶红外技术与WHITE型多次反射池技术方法,研究大气本底温室气体CO2、CH4、N2O超低浓度检测系统。针对CO2、CH4、N2O的分子吸收光谱特征,采用碳化硅作为光源,将测量波段选择在1900-2600区间;采用模拟仿真,模拟不同透过系数和多种气体混合干扰状态下的仪器理论测量精度,根据验证结果,傅里叶红外仪器在CO2、CH4、N2O测量方面表现良好,满足超低浓度温室气体的监测需求。     

基于谐波检测原理的双气室气体传感器研究

基于气体的近红外吸收机理,研究了一种双气室光纤气体传感系统。通过光纤光栅和压电陶瓷对宽带光源LED进行波长调制,获得与气体吸收峰对应的窄带反射出射光。利用谐波检测原理,检测测量气室和参考气室的二次谐波信号,以它们的比值作为系统输出,消除了吸收系数随环境的变化、光源光功率的波动和光路干扰对测量精度的影响。利用波分复用技术实现了多种气体的高精度测量,甲烷气体测量的实验结果表明该系统的测量灵敏度可以达到1×10-5。     

共享激光器的分布式光纤气体传感系统

为了实现远端多节点的高效检测并降低成本,设计了一种新颖的分布式光纤气体传感系统。该系统采用共享一个工作于特种波长的分布反馈半导体激光器,将其置于一个本地控制节点内并通过双向光纤链路串联各远端检测节点,同时使用特殊设计的远端节点结构和光纤段,在每个检测节点,用两个Y型耦合器接入气室,将系统中信号分为上行流和下行流,避免来自其它节点信号影响并直接实现时分复用;并以三节点系统的瓦斯体积分数检测为例进行数值计算和实验。结果表明,激光二极管占总成本比重可由约60%降至约38%,且增加循环检测次数能使各节点测定气体体积分数的相对误差降低,首个节点的相对误差可降至0.2%以下,甚至更低,该方案能够精简高效地实现共享光源的分布检测。     

大气压力下激光电离技术探测环境痕量苯系物实验研究

利用激光电离技术进行大气压力下的环境苯系物的探测，是一种新的探测方法，它能快速、实时、在线测量环境中苯系物的浓度，并且设备简单，不需要复杂的真空系统，其探测灵敏度小于5ppb，时间分辨率为4s。该方法尤其适合机动车道边附近的测量。文中介绍了系统结构和主要参数，报道了该仪器在不同的交通状况下，探测大气环境中苯系物的一些结果，车流量大则污染严重，车流量小则污染轻。     

基于傅立叶变换红外光谱技术的烟气超低排放监测系统应用研究

中国的大气环境污染形势严峻,地域性大气问题严重,以燃煤为主的火力发电厂、燃煤锅炉等是最主要的SO₂、NO_x排放源。现行的燃煤烟气排放标准做了严格规定,从而对烟气连续排放在线监测技术提出更苛刻的要求。基于傅立叶变换红外光谱技术与伴热式多次反射池技术,研究燃煤电厂SO₂、NO污染气体超低浓度检测系统。针对SO₂、NO的分子吸收光谱特征, 采用SiC作为光源,选择测量波段1900~2600 nm;采用傅立叶变换红外光谱技术对测量光谱进行处理,与现场两台设备的测量数据进行分析, SO₂、NO气体的相关性良好,满足超低排放烟气监测需求。