可调谐二极管激光吸收光谱法监测环境空气中甲烷的浓度变化

可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术是利用二极管激光器波长调谐特性，获得被测气体在特征吸收光谱范围内的吸收光谱，从而对污染气体进行定性或定量分析。通过该方法对环境空气中甲烷（CH4）的含量进行了长时间的监测。以室温下工作的近红外可调谐半导体激光器作为光源；使用多次反射池增加吸收光程来提高检测灵敏度；并且使用了二次谐波检测技术进一步降低了检测限，使检测限低于0.087mg／m^3，满足了对环境空气中甲烷进行监测的需要。     

可调谐半导体激光吸收光谱学测量甲烷的研究

甲烷是天然气和矿井瓦斯等多种气体燃料的主要成分,由于其易燃易爆的特性,瓦斯爆炸一直困扰着天然气站和煤矿的安全生产.可调谐半导体激光光谱(TDLAS)技术是近年来发展起来的一种新型的气体检测方法.它具有灵敏度高、精度高、选择性强、响应快速等突出特点.波长调制光谱(WMS)技术是TDLAS技术中一种重要技术.利用WMS技术检测在大气压下、浓度从0.04%至10%的甲烷气体的二次谐波(2f)信号,并证明了在该浓度范围内2f信号幅值正比于甲烷的浓度,为工业中甲烷气体的浓度监测提供了一种新的检测方法,并为集成甲烷监测仪器提供了理论及实验的依据.     

利用TDLAS技术的多点甲烷气体全量程监测

甲烷气体是一种对人体和环境有严重危害的气体,特别在煤矿、天然气罐、气站和石油化工等安全生产领域,对甲烷气体的泄漏监测至关重要。利用可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）,选择1 653.72 nm波长作为甲烷气体直接吸收检测的中心波长,使用微透镜设计了14 cm光程吸收池建立了一套浓度范围为0~100%全量程甲烷在线监测系统,利用分束器分成多路对不同位置进行监测,通过小波变换对吸收信号进行降噪处理,提高信噪比,使系统的最低测量极限达到335 ppm （1 ppm=10-6）,并将自行研制的多点全量程激光甲烷传感器与商用红外甲烷气体探测器进行对比实验,结果表明:该系统具有测量稳定性好、测量范围大、响应速度快、免调校、测量探头本征安全、低成本等优点,完全有能力满足各行业的使用需求。     

矿井瓦斯光学遥测新技术

介绍了一种遥测低浓度甲烷气体的完全光学方法。遥测系统的实验装置由1.33μm 高辐射 InGaAsP LED、气体吸收室以及2km 长的低损耗石英光纤网络组成。实验结果表明空气中甲烷的检测极限约为2 000ppm,即甲烷爆炸下限(LEL)的4%。这个结果证明由近红外 LED 或 LD 和超低损耗石英光纤网络组成的完全光学甲烷遥测系统完全适用于煤矿井下的瓦斯检测。     

基于TDLAS技术与小波变换去噪算法的甲烷浓度检测

为进一步提高甲烷浓度检测精度,搭建了基于TDLAS（tunable diode laser absorption spectroscopy）技术的甲烷浓度检测实验系统,利用甲烷在波长1653.72 nm处吸收强度很高且可以最大限度消除其他气体干扰的特性,通过提取二次谐波信号实现甲烷浓度检测。然后分别采用heursure硬阈值算法、heursure软阈值算法和sqtwolog固定阈值算法作为小波变换阈值算法,通过分析未去噪及小波变换去噪处理后得到的甲烷吸收信号谱图、甲烷二次谐波信号谱图、甲烷吸收信号的信噪比和均方根误差,优选sqtwolog固定阈值算法作为小波变换阈值算法。不同浓度的甲烷标气线性拟合实验及特定浓度的甲烷标气重复性实验结果表明:通过小波变换（采用sqtwolog固定阈值算法）能有效降低噪声干扰,去噪处理后提取的二次谐波信号与甲烷真实浓度拟合优度R2为0.984,拟合效果更佳。采用TDLAS技术结合小波变换去噪算法,实现甲烷浓度检测的同时也能提高甲烷浓度检测精度。     

可调谐激光吸收光谱技术监测燃烧中CO检测方法比较

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是利用二极管激光器的波长调谐特性,获得被选定的待测气体特征吸收谱线的吸收光谱,从而对待测气体进行定性或定量分析.TDLAS技术与开放式的多次反射池相结合,分别利用二次谐波探测方法和自平衡加波长调制的新型检测方法,测量了酒精喷灯火焰的CO浓度.测量结果表明,自平衡加波长调制的新型检测方法与二次谐波检测方法相比,不仅使检测限提高了16.3倍,还有效地消除了激光器、火焰的光强波动影响,可以应用在燃烧控制及喷焰气体CO浓度测量等多个领域.     

多通道多气体光纤传感技术的研究

基于气体的近红外吸收机理,研究了一种可以检测多种气体的光纤传感器.根据被测气体的吸收峰对应波长选择不同的分布反馈式半导体激光器为光源.采用光纤多通道同时测量,配以独特设计的气室探头,可用于煤矿等恶劣环境.对甲烷和一氧化碳气体浓度的检测实验表明,该系统具有较高的灵敏度、精度、稳定性.     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的CO检测仪设计

为了能够实时检测出矿井下一氧化碳(CO)浓度,减少煤矿中毒事件,设计了采用可调谐半导体激光器的CO检测仪。采用波长调制光谱(WMS)与可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)相结合的气体检测技术,将检测信号从低频区域搬到高频区域,然后采用相关技术完成谐波信号的提取,从而检测出CO浓度。实验结果表明,检测下限达到12ppm,能够检测矿井下CO浓度。     

可调谐二极管激光吸收光谱技术及其在大气质量监测中的应用

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是利用二极管激光器的波长调谐特性,获得被选定的待测气体特征吸收线的吸收光谱,从而对污染气体进行定性或者定量分析.在大气痕量气体和气体泄漏的监测中,为了提高探测的灵敏度,一般会根据具体情况对激光器采取不同的调制技术如波长调制、振幅调制、频率或者位相调制等,同时和长光程吸收池相结合使用,并辅之以各种噪声压缩技术.TDLAS不仅精度较高,选择性强而且响应速度快,已经广泛用于大气中多种痕量气体的检测以及地面的痕量气体和气体泄漏的检测.报道了最近研制的一套可调谐二极管激光吸收光谱检测大气中甲烷浓度的实验装置,这套装置具有灵敏度高、检测限低(ppb量级)、易于集成为便携式痕量气体检测仪等优点,若激光器的调谐波长范围能覆盖1.3～1.8 μm或者在光路中装配几台窄范围可调谐激光器实现波长扫描范围覆盖1.3～1.8μm,则可同时实现对大气中诸多重要痕量气体如CO2、CH4、CO、CH2O、H2S、NH3、HCI、C2H2等的同步监测.     

TDLAS氧气检测中谐波信号特性研究

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术是一种具有高灵敏、高分辨、快速响应等特点的气体检测技术,利用半导体激光器可调谐、窄线宽特性,通过检测气体的一条吸收线实现气体浓度的准确检测.阐述了基于波长调制TDLAS技术的氧气检测方法,选择DFB激光器作为光源,通过检测760 nm附近氧气分子的一条吸收线实现了氧气在线监测,主要分析了谐波信号的特性及系统的线性响应.     

Combining TDLAS and multi-fusion algorithms for methane gas concentration detection

High-precision methane gas detection is of great importance in industrial safety, energy production and environmental protection, etc. However, in the existing measurement techniques, the methane gas concentration information is susceptible to noise, which leads to its useful signal being drowned by noise. A fusion algorithm of variational modal decomposition (VMD) and improved wavelet threshold filtering is proposed, which is used in combination with tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) to implement a non-contact, high-resolution methane gas concentration detection. The fusion algorithm can perform noise reduction and further segmentation of the methane gas detection signal. And the simulation and experiment verify the effectiveness of the fusion algorithm, and the experimental results show that for the detection of air containing 10 ppm, 30 ppm, 60 ppm, 80 ppm, and 99 ppm methane, the errors are 12.75%, 8.18%, 3.37%, 2.46%, and 1.78%, respectively.     

基于数字信号处理器的激光光谱瓦斯监测系统

利用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术,选择不受干扰的1653.72nm波长处的吸收线监测煤矿瓦斯浓度,并结合了高性能的数字信号处理器(DSP)和二次谐波检测技术,进一步降低了检测限,使检测限低于0.074mg/m3,实现了对瓦斯浓度高稳定性和高灵敏度的实时测量。     

移相自平衡激光吸收光谱技术的研究

为了提高可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)直接吸收技术的检测灵敏度,解决自平衡探测技术需要两条环境接近的光路而造成的适用性差的问题。采用了一种移相自平衡吸收光谱技术,该技术将信号经过滤波、放大和移相后,两个相差180的信号经过反演就可提取出吸收信号,再对吸收信号及代表光强的直流分量信号进行数据处理便可测得气体浓度。分析显示移相自平衡吸收法能解决自平衡吸收法不能适用于同光路检测的原理性缺陷。结果表明,移相自平衡吸收光谱技术对信号的微小变化具有较高的灵敏度,信噪比也比直接吸收法提高了8倍～9倍,更适用于开放光路情况下的气体探测。为TDLAS在长距离气体检测领域提供了一个有效的高灵敏度探测手段,具有广泛的应用前景。     

激光光声光谱法测量煤矿瓦斯气体的研究

介绍了使用近红外激光二极管激光光声光谱测量煤矿瓦斯气体的基本原理,给出了测量系统的结构框图,该方法是利用近红外激光二极管作为光源,通过光纤耦合输出接入共振式光声池,微音器检出的光声信号由计算机完成数据分析,可实现安全非接触在线自动检测,真实反映矿井瓦斯的浓度。     

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。     

Fiber Methane Gas Sensor and Its Application in Methane Outburst Prediction in Coal Mine

Fiber optic methane gas detecting system based on distributed feedback （DFB） laser wavelength scanning technique is demonstrated. Wavelength scan of methane absorption peak at 1665.9 nm is realized by saw tooth modulation of current which is injected to DFB laser. A reference methane gas cell is used to find the methane absorption peak around 1666 nm, and normalization is used to reduce the outside affection such as power drift, fiber loss. Concentration is got by arithmetic processing absorption coefficient of the methane gas. In-situ test is carried out in coal mine and long time precision of 0.05% is achieved. Some spot data of coal mine is introduced. By the system, methane outburst can be measured.