基于分布反馈激光器双波长调制的微量气体测量方法北大核心CSCD

在光声光谱测量中,常用光学斩波器对光源输出信号进行频率调制,但光学斩波器的使用会不可避免地增加系统噪声及系统成本。基于分布反馈激光器的可调谐特性,提出激光器双波长调制方法。利用光声光谱实验平台,结合光学斩波器调制激光系统进行检测甲烷气体灵敏度的实验。结果表明,光学斩波器对甲烷气体的检测灵敏度为52.3×10-6,而双波长调制激光系统的检测灵敏度可达40.2×10-6,该调制方法避免了光学斩波器的使用,减小了系统噪声,提高了系统灵敏度。     

可调谐激光痕量气体检测中的数字滤波技术的优选

为改善可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)系统的检测性能,以浓度为50×10-6和17×10-6的H2S气体检测为例,根据TDLAS系统的噪声特征,选择了4种数字滤波技术并利用Visual C++软件分别编写了程序对二次谐波原始信号进行压噪和有效信号的提取。结果表明,采用非线性最小二乘法与数字平均滤波技术相结合,使系统理论检测极限由原来的30×10-6提高到了5×10-6量级;对于反演后气体的浓度信号则采用Kalman滤波进行再去噪,使信噪比提高了近8倍。比较结果表明,经过上述滤波处理,TDLAS系统的信噪比和检测极限性能有明显改善。本文的上述方法实际应用到我们的TDLAS在线工业排放气体的测量系统中,取得了良好的效果。     

基于C8051f040单片机的光离子化气体浓度检测电路设计

对光离子化气体浓度的测量,本质上是对其产生的微电流的测量。为此以C8051f040单片机为核心器件,采用内部ADC、信号采集单元设计一种测量系统,可以对0~200×10-6量程范围内的待测气体浓度实时检测并用数码管显示。该系统通过金属屏蔽信号采集单元和在软件编程中采用过采样、数字滤波相结合的方法来提高系统的信噪比。在计算机自动配气系统中测试了二甲醚的气体浓度,误差范围≤0.07×10-6,响应速度快、工作可靠、可作为实际应用。     

基于宽带光源与相关光谱技术的CH4传感器研究

针对传统光学传感技术气体选择性不高与激光光源在气体检测中需严格控温的缺点,采用红外宽带光源进行CH4气体的检测,并结合实验所用气室与光电探测器件参数,利用HITRAN数据库对CH4吸收进行仿真计算,得出了系统理论探测下限与光强信号之间的变化规律。在不同CH4浓度梯度的实际测量中,采用快速傅里叶变换(FFT)与Savitzky-Golay数字滤波相结合的方法对系统噪声进行处理,将外部因素引起的噪声干扰降低了1个数量级,在不同CH4浓度梯度的实际测量中,利用CH4浓度和光强调制系数的对应关系对系统进行了标定,并通过数据拟合得到CH4浓度的反演曲线,相关系数达到0.998 83,测量灵敏度低至20×10-6,系统检测下限约为50×10-6;与传统化学传感器相比,系统测量误差小于1.5~7.0%,实现了CH4浓度的精确检测。     

高精度曲率半径测量研究

由于影响曲率半径测量精度的因素众多,因此高精度曲率半径测量一直是光学检测中的难题之一。为了实现球面光学元件曲率半径的高精度测量,提出通过环境补偿和提高对准精度的方法来减小测量误差。首先从理论的角度分析了影响曲率半径检测精度的主要因素,并给出了在曲率半径测量过程中减小测量误差的方法以及相应的补偿方式。基于此分析,在高精度实验室中采用菲佐干涉仪结合高精度测长干涉仪的干涉测量方式,分别对典型的凸球面和凹球面光学元件进行了曲率半径检测。实验结果表明:通过环境补偿和提高对准精度的方法,曲率半径检测的复现性优于0.2μm,实际测得的相对误差分别为0.67×10~(-6)(2σ)和0.60×10~(-6)(2σ),实现了高精度曲率半径测量。     

甲烷检测中电压噪声的二次量化抑制及其实验研究

为了分析并抑制中红外甲烷检测中模数转换器(ADC)参考电压噪声对检测性能的影响,本文理论推导了待测浓度和电压波动的关系式,计算了电压波动对ADC实际分辨率的影响。一方面,为了降低噪声水平,设计了一种三级稳压电源,使参考电压的平均波动由原来的2mV降至0.6mV;另一方面,考虑到噪声无法避免,不同待测电压对应的数字量彼此交叠,致使无法精确测量各性能参数,本文提出了一种新型二次量化抑制方法,以有效消除电压噪声的不利影响。在不同的ADC参考电压噪声水平下,利用提出的二次量化抑制方法,实验测试了系统稳定性、精度、灵敏度和检测下限等性能。结果表明,当ADC参考电压的平均波动由2mV降至0.6mV时,测量精度可由12.9%降至5.0%以下,检测下限可由约26×10-6降至20×10-6。最小检测下限处的检测灵敏度可由约30×10-6降至20×10-6。这些证实,本文给出的基于二次量化思想的噪声抑制方法是可行的,并且该方法也可用于其它具有类似机理的气体检测。     

基于激光光声光谱超高灵敏度检测SF_6分解组分H_2S

H_2S是SF_6气体绝缘设备中放电故障诊断的特征组分之一;针对H_2S在红外波段吸收系数小,传统光学检测方法对H_2S检测灵敏度较低的问题,结合大功率光纤激光放大技术、共振式激光光声光谱技术、波长调制光谱技术和二次谐波检测技术,提出了一种基于光纤放大激光光声光谱的SF_6分解组分H_2S气体的超高灵敏度检测方法;采用近红外可调谐窄线宽分布反馈激光二极管级联高饱和输出功率掺饵光纤放大器作为光声激发光源,搭建具有超高灵敏度的激光光声光谱微量H_2S气体检测系统。结果表明:当测量时间为100s时,该系统对SF_6背景中H_2S气体的检测极限达到1.5×10~(-8)。     

新型光声腔的设计及实验分析

光声腔的性能是决定基于光声光谱学的微量气体检测系统灵敏度的重要因素之一,光声腔的设计是建立光声光谱气体检测系统的关键环节。基于光声光谱技术及声学理论设计了一种长度可调的一阶纵向反馈谐振式光声腔,通过实际测量的方法直接得到谐振频率,有效避免了重复计算过程和制造过程中产生的误差,使测量更便捷,提高了系统检测灵敏度。建立了光声光谱气体检测系统,实验分析了谐振腔长度、光声腔长度以及光源功率对光声信号的影响,并测得系统信噪比为39.5,检测灵敏度为2.78×10-6。     

激光光声光谱法检测磷化氢气体浓度的研究

论述了光声光谱信号的产生。提出用光纤相位传感器代替传统的微音器检测光声信号。用CO_2激光器作光源对磷化氢(PH_3)气体浓度进行测量。实验表明,最低检测灵敏度可达1.2×10~(-10)。信号处理电路具有较强的抑制噪声干扰能力。该传感器及其系统在灵敏度、精度、响应时间等性能指标上达到了检测气体含量要求。     

基于紫外荧光法的SO_2检测系统的研究

根据二氧化硫(SO_2)气体在紫外光照射下激发出一定波长荧光的机理,结合光纤传感技术,研制出一种大气SO_2浓度检测系统.整个系统由光学系统和电路系统两部分组成.光学系统采用了以脉冲氙灯作为激发光源的双光路检测方法,克服了光源不稳定带来的误差,使测量结果具有更高的精度.电路系统应用了微弱信号检测技术,使淹没在噪声信号中的微弱荧光信号得到有效的提取和放大.通过性能实验表明,在浓度范围为(0～1 500)×10~(-9)的SO_2,该系统有良好的线性和稳定性,且具有较高的测量精度和较强的抗干扰能力.     

NH3的腔增强吸收光谱检测技术

为了研究腔增强吸收光谱技术是否能用于NH₃气体浓度的检测,采用扫描腔长的方法,以分布反馈式可调谐半导体激光器作光源,用两块高反射率平凹透镜（反射率约为99.9%,曲率半径约为1m）组成的光学谐振腔作吸收池,搭建腔增强吸收光谱装置。在34cm长的吸收池内测量NH₃气体分子在1.5μm附近的弱吸收谱线;通过不断增加NH₃气体浓度来改变腔内压强,每充入一次NH₃都测量并保存一次吸收光谱。通过数据处理,分析谱线宽度随气体浓度变化的关系以及吸收度随腔内压强增加的变化情况,发现都能呈现出良好的线性关系,并对残差噪声进行统计分析,得到了3.3×10-8cm-1的最小探测灵敏度。结果表明,高探测灵敏度的腔增强吸收光谱技术,可以实现NH₃气体浓度的测量,并能得到较好的探测精度。     

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...     

变压器油中溶解一氧化碳气体的光纤传感技术

为了满足变压器中绝缘纸板因过热或者放电故障产生的一氧化碳气体的在线监测需求, 提出了一种基于光纤光声传感的油中溶解一氧化碳气体检测技术。采用光声光谱气体检测技术、并结合光纤传感和膜分离技术, 设计了集成油气分离和气体检测功能于一体的光纤光声传感探头, 油中溶解的一氧化碳气体通过油气分离膜进入到光纤探头中的微型气腔; 采用两根光纤将探头连接到解调仪器, 分别传输近红外激发光和探测光; 气体吸收光能产生的光声信号被光纤法布里-珀罗传感器探测, 并被设计的光纤光声解调模块进行信号处理, 获得系统对一氧化碳气体体积分数的检测灵敏度为0.345pm/10-6。结果表明, 所设计的光纤传感系统对油中溶解一氧化碳气体体积分数检出限达到5×10-6。该研究具有精度高、抗电磁干扰、脱气简单的优势, 为变压器油中溶解一氧化碳气体的检测提供了新方法。     

Design and fabrication of a mid-infrared carbon dioxide sensor for the application in greenhouse environment

A mid-infrared carbon dioxide (CO2) sensor is presented for the application in greenhouse environment. An integrated multi-pass gas chamber and a dual-channel differential detection method are adopted to decrease response time and suppress environmental influence, respectively. An optical module is developed using a cost-effective wideband mid-infrared light source, a dual-channel pyre electrical detector and a spherical mirror, and the moisture-proof function is specially designed for enabling the application of this sensor in greenhouse with high humidity. Experiments are carried out to evaluate the sensing performance on CO2 concentration. According to the experimental results, the limit of detection (LoD) is about 3´10-5 with an absorption length of 30 cm. The relative detection error is less than 5% within the measurement range of 3´10-5—5´10-3. Based on 10 h long-term stability measurement on 5´10-4and 2´10-3 standard CO2 samples, the maximum fluctuations are 1.08% and 3.6%, respectively. By using a 2.4 GHz wireless network communication system for remote monitoring and data recording, a field measurement of this sensor in a greenhouse is conducted, and good performance is proven in such circumstance.     

基于V型腔增强吸收光谱技术的一氧化碳检测研究

论文基于光反馈原理及V型增强腔技术,结合量子串级激光器,搭建了CO吸收光谱检测系统.研究并实现了光反馈效应(反馈相位自动可调)、偶数和奇数腔模式效应、激光器阈值电流降低效应.系统有效反射率达到99.979%,在物理长度为47 cm的光腔内实现了4.48 km有效吸收路径.通过自动调节V型腔长,使光谱分辨率从0.005 3 cm~(-1)提高到0.001 1 cm~(-1).通过阿伦方差分析,确定了最高信噪比的积分时间为53 s.气体压强40 torr,温度20°C时,系统对CO(R(6)吸收线)检测准确度及检测极限分别达到(97.79±0.07)%和(0.49±0.04)ppb.也分析和证明了气体压强对CO的峰值吸收强度、检测准确度及检测极限的影响.     

本刊“病例讨论”栏目征稿

通过对SO_2气体在紫外光区间吸收光谱的分析,以差分吸收光谱技术原理为基础,通过改进数据处理方法,得到了气体浓度与光谱参量间的函数关系,建立了自动监测系统模型,实现了烟道气体SO_2浓度的在线实时监测.实验结果表明,监测系统的探测限为3×10~(-6),最大测量误差为7.4%,基本满足烟道气体的监测要求,且不易受外界环境的干扰,易操作维护,成本低,在环境保护方面具有广阔的市场前景.     

波长调制光谱检测下限计算方法的研究

在基于波长调制光谱技术的大气痕量气体检测下限计算方法的研究中,全面准确地描述吸收信号及噪声的大小极为重要。为了探讨半导体二极管激光器在进行波长直接调制时伴随产生的残余振幅调制噪声对检测下限的影响,在理论推导中采用了一种同时考虑波长和振幅调制的二次谐波信号分析及提取方法,以二次谐波信号峰谷差值作为系统的检测信号,对可调谐二极管激光器吸收光谱检测系统的信噪比和检测下限进行了理论分析,取得了洛伦兹吸收线型条件下残余振幅调制噪声对系统信噪比和检测下限的影响的精确计算数据。结果表明,在吸收线的线宽较大的检测条件下,残余振幅调制噪声是影响检测下限的重要因素。     

A near-infrared methane detection system using a 1.654 µm wavelength-modulated diode laser

By adopting a distributed feedback laser (DFBL) centered at 1.654 µm, a near-infrared (NIR) methane (CH4) detection system based on tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) is experimentally demonstrated. A laser temperature control as well as wavelength modulation module is developed to control the laser’s operation temperature. The laser’s temperature fluctuation can be limited within the range of ?0.02—0.02 °C, and the laser’s emitting wavelength varies linearly with the temperature and injection current. An open reflective gas sensing probe is realized to double the absorption optical path length from 0.2 m to 0.4 m. Within the detection range of 0—0.01, gas detection experiments were conducted to derive the relation between harmonic amplitude and gas concentration. Based on the Allan deviation at an integral time of 1 s, the limit of detection (LoD) is decided to be 2.952×10-5 with a path length of 0.4 m, indicating a minimum detectable column density of ~1.2×10-5 m. Compared with our previously reported NIR CH4 detection system, this system exhibits some improvement in both optical and electrical structures, including the analogue temperature controller with less software consumption, simple and reliable open reflective sensing probe.     

小波降噪对TDLAS 干涉抑制的研究

基于多光程吸收池的可调谐半导体激光吸收光谱 (TDLAS) 系统在检测过程中容易出现噪声干扰, 影响着其 实际检测性能。针对这种干扰的特征进行分析, 提出利用小波降噪法来改善 TDLAS 系统的探测性能。首先依据理论 研究结果选择合适的小波函数和分解层数, 然后通过这种小波对叠加干扰的仿真信号进行滤波, 结果表明这种降噪技 术具有良好的去噪效果。最后利用小波降噪技术处理了实验采集的不同浓度气体的直接吸收光谱 (DAS) 和二次谐波 信号, 相比于原信号, 降噪后信号的信噪比从 0.4 增加到 259, 系统的检测限也达到 7×10−6, 表明小波降噪方法在气体 光谱检测中具有较高的应用价值。     

DOAS技术中光学密度计算方法对测量结果的影响

差分光学吸收光谱技术(DOAS)中,通过不同高通滤波方法获得差分光学密度,与经过相同数字滤波处理的实验室的标准参考谱作最小二乘拟合,反演出各种气体的浓度.通过几种平滑滤波和多项式滤波对相同测量信号进行光谱分析,比较其反演浓度的精度、残差的标准方差和峰峰值.结果表明,3点500次平滑滤波重复两次的高通滤波方法各项指标都优于其它方法,能有效地提高测量精确度和降低检测下限.