变压器油中溶解气体光声光谱检测交叉干扰抑制方法研究北大核心CSCD

基于光声光谱技术对变压器油中溶解气体类型与含量进行在线监测,有利于发现设备的潜伏性故障,然而多组分气体之间的交叉干扰会造成检测精度的降低。文中搭建了多组分气体标定试验平台,对多组分气体的交叉干扰系数进行了标定计算,并提出了一种交叉干扰标定算法以消除交叉干扰并提高检测的精度。将该标定算法应用于制备的3种浓度变压器油气样本光声光谱检测试验,结果表明:通过所提出的多组分气体交叉干扰标定算法,使变压器油中CO、CO_(2)、CH_(4)、C_(2)H_(2)、C_(2)H_(6)的光声光谱测量误差均达到了测量标准中的A级测量误差要求;C_(2)H_(4)在中、高浓度下,其测量结果满足A级误差要求,在低浓度下满足B级误差要求。另外,试验也表明:待测气体中的水含量越低,光声光谱测量曲线与标准曲线之间的相位差越大,对检测精度的影响越大。     

基于光电调制式的多点多气体光纤传感网络

针对混合气体环境下长距离传感网络构建需求,提出并实现了一种基于光电调制式的多气体一体化的光纤传感网络结构。该系统结合了电学式探测和光纤组网传输的双重优势,搭建基于误差前向反馈神经网络算法(BP神经网络)的软件平台以消除交叉干扰,实现了25 km以上多点多气体光纤传感网络。实验中成功实现对H_2、CH_4、CO_23种混合气体同时定量浓度检测和交叉干扰消除,测量灵敏度100 ppm左右,并进行了温度影响分析,进一步降低系统浓度误差,整体系统误差为4 ppm左右,其网络测试效果良好。     

一维光学位置传感器融合的非接触多自由度位姿测量系统

为实现机器人末端位姿多自由度实时测量反馈,融合一维光学位置传感器（Position Sensitive Detector,PSD）建立了平面3自由度非接触测量系统,对其测量原理,信号处理电路,环境光干扰去除和非线性标定算法等进行研究。根据PSD传感器测量特性和平面3自由度测量要求设计了4-PSD测量系统,并建立测量系统数学模型。研究了PSD传感器的信号处理电路,通过运放和除法器实现了单个PSD的信号处理,结合单片机与A/DC采样电路,实现了上位机的高频率信号采集。对4-PSD测量系统进行预实验,为消除环境光干扰,通过激光调制和数字滤波等方法进行验证。最后,通过激光位移传感器标定4-PSD测量系统,介绍了4-PSD的标定步骤（原点、转角、长度和二阶非线性标定）,测定了系统标定后的误差分布。该测量系统具有较高的测量频率（50 Hz）。标定实验结果表明：标定后的4-PSD测量系统在70mm×70 mm内,测量精度平均为0.49 mm,比标定前降低了90%的误差,能满足大部分高速、高精度机器人末端的非接触式实时测量反馈需求。     

车用天然气发动机Rh基三元催化系统的N_2O和NH_3生成特性研究

采用一维整体催化器模型和气固两相独立守恒方程,引入输运系数,建立了一种适用于天然气发动机的Rh基三元催化系统的整体多相催化反应机理,主要包括碳氢化合物CH_4的氧化反应和NO还原反应。采用程序升温方法研究了高温下N_2O和NH_3在模拟尾气中的生成特性,结果表明:NO浓度的降低和温度的升高会减少N_2O和NH_3的生成;CH_4浓度对NH_3排放影响不大,对N_2O的影响比较复杂;在700～930K范围内,CH_4浓度越高,N_2O生成越少;继续升温,CH_4浓度越高,N_2O生成越多。NO浓度对CH_4和CO起燃特性的影响很小,CH_4浓度对Rh基催化剂的CO氧化转化也没有影响,但是能促进NO的催化还原反应。尾气中的CH_4、NO浓度对N_2O的形成起着重要作用。     

基于NDIR开放光路CO_2浓度测量的标定方法研究

针对非分散红外(non-dispersive infrared,NDIR)开放光路CO_2/H_2O分析仪测量CO_2浓度时,压强、气体间交叉干扰和温度对测量结果的影响,介绍了一种修正这些影响的方法,分别分析压强、气体间交叉干扰和温度对CO_2吸光度的影响,然后,分别进行校准修正,并利用校准后的CO_2吸光度与不同浓度CO_2标准气体进行多阶拟合,分析比较后,选择最优拟合。校准后的仪器通过测量CO_2标准气体,相对误差在0.4%～2.1%之间,稳定度为0.31%。实验结果表明提出的基于NDIR开放光路CO_2浓度测量的标定方法是可行的。     

利用平面激光诱导荧光技术及CH滤镜测量微喷管射流火焰OH及CH基元

微射流火焰形貌观测及火焰中重要基元的准确测量,对利用微尺度火焰燃烧特性研制开发微型燃烧动力系统具有重要意义。本文建立了微喷管射流火焰实验及光学测量系统,对H_2和CH_4微射流火焰进行了实验研究,测量了两种重要基元(CH,OH)的空间分布。首先,探索了相机曝光时间对H_2微射流火焰成像的影响,得到了不同流速下H_2微射流火焰形貌的变化规律。其次,采用平面激光诱导荧光测量技术得到了不同燃料流速下H_2及CH_4微射流火焰中OH基元分布,同时还利用单反相机加CH滤镜通过长时间曝光(30s)的方法获得了CH_4微射流火焰中CH基元的分布。结果表明,火焰图像清晰度随曝光时间增加提高,曝光时间30s时可获得H_2微射流火焰的清晰照片;采用分辨率2 048×2 048的ICCD相机可获得微尺度火焰OH基元分布的清晰图像。微射流火焰形貌及重要基元的实验结果表明相关数值计算方法准确可靠。     

可控气氛中 CO_2的非水测定法

可控气氛中,CO_2和 H_2O 的测量,对于判断气氛的氧化—还原、渗碳—脱碳具有非常重要的意义。目前国内外已经有很多种仪表用来测量炉气中 CO_2及 H_2O 的含量。如红外线 CO_2分析仪、电导 CO_2测量仪、氯化锂露点仪、雾室露点仪、冷镜面露点仪和露点杯等。此外还有用于全分析的奥氏气体分析仪、和气相色谱仪。但是无论那种自动测量仪表都必须用基准仪器或标准样气来校对。露点杯广泛用来做为基准仪器校对各种露点仪。其结构简单,测量方便,稳定可靠。误差可达到±1℃。但是 CO_2分析仪表,目前还没有象露点杯那样一种基准校对仪器。只能用标准样气校对。可是标准样气一般厂无法配制和标定。本试验证明,CO_2的非水测定法可用来做为 CO_2分析仪表的基准校对方法,以及标定自己配制的样气。这点可以和露点杯相媲美。当加上一些附加装置后,还可以测量其他含碳气体(如 CO、CnH_2n及 CH_4等)。     

基于TDLAS技术的N_2O气体检测系统设计

基于红外光谱吸收及谐波检测原理,讨论了谐波信号和气体浓度关系,搭建了基于可调谐激光吸收光谱技术的气体检测系统。该系统采用低频锯齿波和高频正弦波联合调制激光器,并由锁相放大电路提取一次谐波和二次谐波信号幅值,以STM32F103VB控制器为核心,进行数据处理与数据上传,实现对0~0.1%浓度范围氧化亚氮(N_2O)气体实时测量。首先,介绍了系统的总体设计与核心结构,包括系统的硬件结构与软件结构;并进行了系统的标定和性能测试,结果表明二次谐波和一次谐波信号幅值比与浓度具有良好的线性关系,检测精度可达20×10~(-6),满足对N_2O气体实时监测的需求。     

基于剩余幅度调制技术对强吸收下气体体积分数的测量研究

在可调谐半导体激光吸收光谱技术中,可利用剩余幅度调制信号实现对气体参数的免标定测量。然而现有RAM方法均需做弱吸收假设和简化,同时引入复杂的修正函数以提取完整的透射率信号用于气体浓度反演。针对此问题,建立了适用于任意吸光度和调制系数下的傅里叶光谱吸收模型,提出了直接对背景信号归一化的一次谐波Y分量进行拟合的免标定算法,减少了重建吸光度引入修正函数的过程。使用CH4为目标气体进行实验,体积分数计算的相对误差小于2%,标准偏差均小于4×10-2%,验证了该方法的可行性。     

工业园区大气污染物高精度在线监测系统设计

为了实现工业园区大气主要污染物的在线监测,设计了基于STM32的工业园区大气污染物高精度在线监测系统,实现了大气污染物H_2S、NH_3、VOCs的在线检测。在电路设计中,重点介绍了高精度模拟量数据采集电路和隔离的RS485通信接口电路的设计,实现了高精度的气体浓度检测和远距离在线监测功能。在软件设计中,实现了传感器的校准、高精度模拟量数据采集、实时数据传输等功能。最后,对系统进行了校准和实验测试,H_2S、NH_3、VOCs浓度检测的相对误差绝对值的最大值分别为1.57%、1.52%和1.37%。测试结果表明,该系统的功能及检测精度满足设计要求。在线监测系统的研制为工业园区分布式空气质量监测提供了一套解决方案。     

三电极库仑池的研制

本文介绍了用于连续自动测定大气中SO_2,H_2S等污染物浓度的三电极库仑池的研制过程。该库仑池是在贝克曼同类仪器库仑池的基础上经过较大改进而制成的,库仑池有三个电极:阳极、阴极、参比电极。应用恒电流库仑法测量大气中ppb级SO_2,H_2S浓度。在研制过程中,应用比较简单的实验手段解决了复杂的电化学反应问题。使库仑池的吸收效率,响应时间、噪音、电介液的更新和补充等问题得到了较好的解决。响应时间达到1分15秒左右,比贝克曼库仑池提高了3～4倍,并且具有结构简单,维护保养方便的优点。     

应用线阵CCD的空间目标外姿态测量系统

设计了9路线阵CCD相机组合的空间目标外姿态测量系统,该系统解决了面阵图像传感器用于姿态测量时存在的速度和精度的矛盾,能够实时重构放置于被测物体上的点合作目标在世界坐标系下的三维坐标,并经空间解算,确定被测物体的姿态角.该系统着眼于合作目标和相机光学系统的相对位置,解决了多相机与多点合作目标一一对应时的目标干扰问题;设计了新的光学系统构架,提高了精度,节省了空间;实现了多相机测量系统的局部标定和全局标定.图像采样率为1 316帧/s时,姿态测量精度为1′.测试结果表明,该姿态测量系统可以实现对被测对象高精度的实时测量,且具有合作目标简单,价格低廉等优点.     

基于2D激光技术的轴径在线精密测量方法北大核心

针对轴径测量方法在精度、可靠性和适应性等方面存在的问题,提出一种基于2D激光测量和全量程标定校准的轴径精密在线测量方法。采用2D激光轮廓传感器同步采集检验剖面的二维坐标数据,基于采集的坐标数据和最小二乘拟合算法求解被测轴的半径,基于最小区域原则优选检验剖面,采用全量程标定校准方法建立轴径测量误差模型,利用误差补偿算法实时补偿系统的非线性误差,提高轴径测量的精度。研究结果表明,该方法测量相对误差小于1%,实现了免拆卸情况下的轴径非接触、在线、高精度测量。     

变压器油中气体拉曼光谱检测及信号处理方法

准确检测变压器油中溶解故障特征气体是诊断变压器运行状态的重要技术手段之一。论文基于拉曼光谱和腔长调制频率锁定原理,搭建了变压器故障特征气体频率锁定腔增强拉曼光检测平台,实现了H_2、CH_4、C_2H_2、C_2H_4、C_2H_6、CO、CO_2等七种故障特征气体的同时检测;1atm时,H_2、CH_4、C_2H_2、C_2H_4、C_2H_6、CO、CO_2的最小检测浓度实验值分别达到106、25、45、73、41、170、126(ppm)。频率锁定增强腔技术使最小检测浓度提高了约68倍。运用小波模极大值法对H_2的拉曼光谱检测信号进行了去噪处理,提出了基于包络线迭代法的光谱基线校正方法,校正后的光谱荧光背景残留减少,使气体拉曼光谱检测准确度提高了约2.95%,为变压器油中溶解故障气体同时准确检测提出了一种新方法。     

积分腔输出光谱技术腔镜反射率标定研究

论文设计了一套用于增强氧气吸收的积分腔光谱测量系统,并利用长光程吸收参考池对积分腔的腔镜反射率进行了标定。在大气环境中,使用13144.58cm~(-1)氧气吸收谱线,通过加载不同扫描频率,同时测量积分腔和长光程参考池的输出吸收信号,通过比较二者的吸收率推导出镀膜腔镜的反射率。测量结果表明,在760nm波长附近,腔镜反射率测量平均值为0.9881,标准差δ=6.04×10~(-5)。通过测量得到反射率得出光学腔有效吸收长度并反演氧气组分浓度,验证了反射率测量的准确性和实验系统的可行性。     

基于线阵CCD的空间目标外姿态测量系统

设计了9路线阵CCD相机组合的空间目标外姿态测量系统,它克服了采用面阵图像传感器用于姿态测量时存在的速度和精度的矛盾。该系统分别实时重构放置于被测物体上的点合作目标在世界坐标系下的三维坐标,经空间解算,确定被测物体的姿态角。着眼于合作目标和相机光学系统的相对位置及呼应,解决了多相机与多点合作目标一一对应时的目标干扰问题;设计了新的光学系统构架,提高了精度,节省了空间;实现了多相机测量系统的局部标定和全局标定。测试结果表明,该姿态测量系统可以实现对被测对象高精度、实时的测量,且具有合作目标简单,价格低廉等优点。     

四极质谱气体分析装置

为了地震监测和预报,作者研制了一套四极质谱气体分析装置。该装置可测定H_2、He、CH_4、Ne、N_2、CO、O_2、Ar和CO_2等9种气体。与气相色谱法相比,对氦的灵敏度提高近10万倍,达到0.001 ppm,对其余气体灵敏度提高了10倍。该装置测量精度为1～3％,测量准确度为3％。     

光学器件光谱透过率反射率实时测量系统的研制

研制了一种用于光学器件光谱透过率反射率实时测量的自动化光谱检测系统,整个系统实现了对光学器件进行透过率、反射率的在线测量,同时还可对光源进行光功率、色度等的自动检测工作。围绕该检测系统的研究背景、硬件组成、软件实现和应用前景展开了全面讨论。该系统的单次测量周期小于0.3s,可测量的光谱范围为200nm～1100nm,测量精度可达0.5%,采样间隔实时可调。     

透射法粉尘浓度测量标定技术研究

粉尘浓度测量系统的测量精确度一方面取决于系统本身的设计,另一方面取决于标定技术。分析和研究了几种标定方法的优缺点,结合实际测量需求,提出了一种适用于光透射法粉尘浓度测量系统的标定方法。并经过分析计算及实验数据分析,验证了该标定方法的可行性。     

用SP-2307型气相色谱仪检测高纯氮中痕量CO、CO_2、CH_4

1962年K.Porter和D.H.Volman提出转化法,将样品中的CO经镍触媒催化加氢转化成CH_4,用气相色谱仪氢火焰离子化检测器(FID)检测。目前这种方法已被广泛用来测定微量CO和CO_2,据报导,检测下限可达0.02ppm。在我们研制CO、CH_4标气的过程中,需对稀释气——高纯氮(99.999％)中存在的痕量CO、CO_2、CH_4进行定量测定。在高纯氮中,上述三个组分的含量一般都小于1ppm,因此要求分析仪器最低检出浓度应低于0.1ppm。北京分析仪器厂生产的SP-2307型气相色谱仪用H_2做载气,主要用于检测O_2、N_2、CO、CO_2、CH_4等气体,对CO等的最小检出浓度为1ppm,因而无法满足上述分析要求。为了适应高纯氮中痕量CO、CO_2和CH_4分析的需要,我们对仪器和操作方法作了一些改进,取得了较好的效果。改装后的气路系统见