调制电流噪声对TDLAS气体检测影响的研究

为了量化分析电流噪声对TDLAS气体检测结果的影响,文中根据半导体二极管激光器的技术参数,针对氧气在760 nm附近处的单吸收谱线,构建了完整的基于波长调制(WMS)方法气体浓度测量的Simulink仿真模型,分析了系统噪声来源。在充分考虑残余振幅调制的情况下,系统量化分析了由调制电流噪声引起的调制激光噪声对气体浓度监测误差率的影响,并基于最小二乘法,拟合了调制噪声与浓度检测误差率的二次关系式。     

基于TDLAS技术的低浓度CO检测系统设计

采用光谱法进行低浓度CO(ppm量级)检测时,由于信号强度低,噪声强,很难真实有效的将信号将测出来。针对这一特点,设计了一种基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的低浓度CO气体在线监测系统。该系统采用TDLAS技术,可以获得精细的CO吸收光谱信息,因此可以降低其他成分吸收的干扰。同时采用放大一滤波一再放大过程实现系统降噪,能够很好的获得低浓度CO的光吸收信息。经测试,该系统还具有较好的实时性、灵敏度和较高的准确性。     

基于FPGA在线气体检测系统设计

以FPGA为平台设计一套TDLAS在线气体检测系统。在线气体检测需要高精度以及快速的数据分析和处理速度。相比于传统单片机,FPGA在工作速度以及功耗等方面具有较大优势,可以保证数据分析和处理的实时性;基于TDLAS（可调谐二极管吸收光谱学）的二次谐波检测技术可以减小噪声等因素带来的影响,保证检测结果的精度。本文详细介绍了系统的检测原理以及TDL驱动电路的设计方法,并由FPGA产生所需调制信号。该系统适用于现场高精度高速度的气体监测。     

基于TDLAS技术的在线多组分气体浓度检测系统

为了提高环境气体监测精度,降低设备维护成本需求,设计了一种多组分气体同时或近同时在线检测系统。该系统基于TDLAS技术采用DFB可调谐激光测量气体浓度,能够实现760 nm O_2和2 326 nm CO混合气体同时在线监测。设计发射单元、接收单元等模块,分析TDLAS可调谐激光检测、PID温度控制、锁相检测原理。结合火电厂烟道氧量浓度测试,对系统进行了验证。实验结果表明:与传统的工业气体测量装置相比,该系统能获得更高的精度、更快的响应速度以及良好的稳定性,适应恶劣环境能力强,具有较好的实用性及可行性。     

可调谐二极管激光吸收光谱技术测量低温流场水汽露点温度

露点温度是表征气体状态的一个重要参数,针对低温环境的低露点温度精确、快速、连续、原位测量的迫切需要,提出了可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术对水汽露点温度测量的方案。首先与安徽省气象局的冷镜式露点仪一起对比测量标准温湿度箱内的露点温度,验证波长为1 381nm的TDLAS系统露点温度测量的可行性及精度,然后结合一套开放式的测量装置,进行低温度环境(最低温度100K)水汽露点温度原位测量。得到了实时的露点温度值,其中TDLAS露点测量结果与冷镜式露点仪测量结果一致性较好(相差小于1K),TDLAS测量的时间分辨率为0.83s,远远快于冷镜式露点仪的时间响应速度。对于更低气体温度的露点测量,获得了与气体温度变化趋势相同的露点温度,同时得到了随着环境温度降低,水汽逐渐趋向饱和的结论。     

基于TDLAS烟道气在线检测系统的降噪技术

可调谐激光光谱（TDLAS）技术利用激光管的波长扫描实现痕量气体吸收曲线的二次谐波检测,具有响应时间短、检测灵敏度高、精度高等优点。但实际应用条件分析结果表明,烟道气在线检测中存在外界环境和系统本身引入的噪声。为了实现TDLAS检测方法的高精度、高灵敏度等优势,本文提出在检测系统中加入温度反馈,以减少高温环境带来的干扰,设计并采用双光路扣除背景,消除颗粒物及背景吸收干扰以及采用对激光管驱动电流进行高频调制来抑制系统噪声等3条主要的降噪途径。理论分析表明,这些措施可以降低环境干扰及系统噪声影响,有效提高检测精度。     

激光气体检测及温压补偿研究

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)是一种灵敏度高、分辨力高和响应快速的气体测量技术,基于(TDLAS)的激光气体分析仪具有预处理简单、不受背景气体和粉尘影响的特点,是工业过程气体在线分析理想选择。本文介绍了波长调制的吸收光谱浓度测量原理以及实际工况下浓度的温压补偿方法。     

TDLAS一氧化碳浓度检测系统误差分配

在利用可调谐二极管激光吸收光谱技术测量一氧化碳(CO)气体浓度时,反演精度受光强、温度、压强等的影响,需要对系统的总体误差进行分析与分配。为了提高TDLAS的测量精度,降低多项误差对测量的影响,本文提出了对系统各个测量误差的分配方法。首先建立了CO浓度反演的误差模型,基于二次谐波测量原理引入了二次谐波峰值、光强、驱动电流、温度、压强和光程几项误差;其次,利用随机化方法分别研究了系统各项误差对浓度误差的影响,并通过数值拟合的方法推导了浓度误差与各项误差的关系,比较了浓度误差对各项误差变化的灵敏度;最后,根据求得的灵敏度关系,综合考虑浓度测量要求以及现有器件的工艺水平,对各项误差进行了合理、有效的分配。利用蒙特卡洛法对本文所提出的各项误差分配方案进行了仿真,仿真结果表明,在CO体积分数为2.5%时,该误差分配方案可使浓度测量的绝对误差小于0.025%。在实验室条件下对体积分数为2.5%的CO进行了测量,其绝对误差小于0.01%,实现了对CO气体浓度的高精度反演。本文的研究结果保证了TDLAS浓度检测系统在多项误差影响下的测量精度,同时,可有效降低系统的设计难度和经济成本,对仪器的开发和应用具有重要的指导意义。     

基于红外激光光谱的H_2S气体传感器的二次谐波理论分析

为确定合适的调制度,更好地抑止噪声、提高信噪比,从而提高检测灵敏度及精度,采取以硫化氢气体的中心波数v=6 637 cm-1的振-转吸收谱线为目标,建立了洛伦兹线型的二次谐波信号数值模型。通过改变调制度m的大小,得到相应洛伦兹线型的二次谐波信号谱线,并分析了调制度对谐波信号幅值、峰宽的具体影响,为实际TDLAS二次谐波测量系统的设计与分析提供参考。     

基于TDLAS的同轴扩散火焰温度与CO_2浓度测量

温度与组分浓度的空间分布对火焰中多环芳烃和碳烟生成机理的研究非常重要。本文基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术对甲烷同轴扩散火焰温度与CO_2浓度的空间分布进行测量。针对轴对称的同轴扩散火焰,本实验采用4.2μm的中红外带间级联激光器测量了不同火焰高度上路径积分的吸光度谱线,并通过傅里叶分析Abel逆变换方法重建出各点的光谱吸收率谱线。结合HITEMP数据库,通过最小二乘法拟合实验数据得到火焰温度与CO_2浓度,并将TDLAS测量结果同CFD仿真进行比较。发现TDLAS温度与CO_2浓度测量结果与CFD仿真吻合良好,但由于未能全面考虑辐射效应,CFD仿真高估了最大火焰温度,计算的最大CO_2浓度和火焰面高度偏低。     

Time resolved 2D concentration and temperature measurement using CT tunable laser absorption spectroscopy

In this study, the noncontact and simultaneous 2D temperature and concentration measurement method has been developed to elucidate the reaction characteristics and improve the relevant simulation code. The technique is based on a CT method using absorption spectra of molecules such as H₂O, NH₃ and CH₄. The CT Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) method using 16-path laser beams was applied to measure 2D temperature, NH₃ and CH₄ distributions in engine exhausts and oscillating flames. Simultaneous and time resolved 2D temperature, NH₃ and CH₄ distributions were successfully reconstructed using a set of 16-path absorption spectra. Since CT TDLAS has a potential of kHz response time, this method enables real-time 2D temperature and species concentration measurements in various industrial processes including engine applications.     

冲压发动机羽流温度 TDLAS 在线测量系统

为实现碳氢燃料冲压发动机羽流温度在线测量,以H_2O分子为目标组分,通过分子光谱仿真计算优选(7 444.352+7 444.371) cm~(-1)-(7 185.586 5+7 185.597 3) cm~(-1)谱线对,采用扫描波长直接吸收光谱-时分复用(SDAS-TDM)策略设计了用于碳氢燃料冲压发动机羽流参数测量的可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)系统,并利用预混平面火焰炉验证了该系统测温精度,结果显示采用此系统对预混平面火焰炉高度1 cm处火焰温度测量结果与标准参考值相对偏差均在15%之内。在此基础上,将该系统应用于碳氢燃料冲压发动机羽流参数测量,通过交替调制1 392 nm与1 343 nm半导体激光器,测量调制激光经待测区域后的光强衰减信号,获得H_2O分子在(7 444.352+7 444.371) cm~(-1)和(7 185.597+7 185.597 3) cm~(-1)谱线吸收光谱,通过双线技术实现了发动机羽流温度在线测量,为碳氢燃料冲压发动机燃烧组织与性能评估提供重要参考。     

TDLAS技术在环境大气检测中的应用

基于可调谐激光二极管吸收光谱技术的诸多优点,可用于大气在线检测.文章介绍了大气检测系统的发展趋势、TDLAS技术的原理、特点和基于TDLAS技术探测器的结构和谱线的选择.     

Improvement of Tunable Diode Laser Absorption System with a Novel Multipass Cell and Wavelet Transform

Combination of Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy(TDLAS)technique and multipass cell is an attractive approach for ultrahigh sensitive detection of trace gases.Theoretically,based on Beer-Lambert law,the longer optical path length and the larger gas absorption,the lower concentration gas could be detected.However,lower radiation intensity and inevitable etalon fringe resulted from multiple reflections would greatly weaken the Signal-to-Noise Ratio(SNR)and thus an expected ultrahigh sensitive detection system is difficult to achieve.In order to fully make use of the advantages of TDLAS and multipass cell,the base length and the total optical path length of the multipass cell are needed to be carefully balanced.Furthermore,the harmonic signals contaminated by various noises are processed with wavelet transform method.As a demonstration of this method,few low concentrations of gas CO in N2 are measured employing TDLAS technique and a novel sealed multipass cell with total optical length of 114 m.The detection limit is about 5×10-6(volume ratio),which is one order of magnitude better than earlier noise reduction.     

激光吸收光谱技术在工业生产过程及安全预警标识性气体监测中的应用

鉴于常规的标识性气体监测方法在响应速度、测量精度、使用寿命、实时性、监测目标种类、测量范围和应用场合等方面相比激光吸收光谱技术存在不足,本文以可调谐半导体激光吸收光谱技术为依托,选取合适的无干扰激光吸收谱线,阐述了工业管道抽取式、管道原位在线对射式、扩散探头式(全量程激光监测一体机形式与多点无源传感器探头形式)、无组织排放开放光路式等多种形式的监测方法。上述系统的测量结果显示:抽取式可实现CO、CO2、O2等不同多组分气体的同时测量;管道对射式实现了O2及10μL/L以下CO的高精度在线测量;探头式则以CH4测量为例实现了响应时间T90=15s,监测极限小于150μL/L,泄漏报警准确率达100%;开放光路形式以天然气集气站场测量CH4、C2H2、C2H4三种气体为例实现了0误报的监测能力。上述分析结果表明,TDLAS技术应用于工矿安全生产及安全预警方面的标识性气体监测是完全实用、有效、准确、可靠的。     

TDLAS技术在烯烃生产过程中的多组分检测应用

烯烃工业生产过程中的多组分在线检测是对其工业过程有效控制、提高处理装置综合效益的重要手段。本文以在线检测烯烃裂解炉的清焦过程生成的一氧化碳和二氧化碳为应用案例,采用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)作为分析平台进行多组分分析。针对清焦过程,设计了检测0~5%量程CO和CO_2的模拟实验。对气体含量随机分布的19组数据分别采用多变量最小二乘算法(CLS)、单组分偏最小二乘算法(PLS1)和多组分偏最小二乘算法(PLS2)进行建模和评估。在后续的多组分交叉干扰实验和CO_2的扩展量程准确性测试实验中,PLS1模型的最大误差小于±0.05%,PLS2的小于±0.10%,CLS的小于±0.20%。因此,TDLAS技术结合PLS1算法在实现化工过程中的多组分在线检测时具有先进性。     

激光气体遥测仪整机测试系统自动化测试软件设计

激光气体遥测仪是基于红外气体吸收光谱原理,采用先进的可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术分析测量被测区域(如传输管道、天花板、墙体等)内的甲烷气体平均浓度的新型仪表。性能优良的激光气体遥测仪表已在许多危险领域得到了广泛的应用,但是,目前整机测试系统流程复杂、费时、低效。结合相关生产实践开发一种较为实用的整机测试自动化软件,以提高整机测试的效率。目前已有效地帮助生产相关人员快速、准确地完成整机测试流程。