相关变步长自适应算法在TDLAS系统中的应用

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术用于痕量气体浓度检测时,会受到系统噪声的影响,导致所需测量的二次谐波信号线型畸变,影响系统检测精度。为了提升信噪比采用新的变步长自适应滤波算法滤除噪声,算法以输入信号与误差信号相关系数作为步长更新的自变量,并通过sinc函数的变换式控制步长更新。结果表明算法在保证稳态精度的同时具备更快的收敛性,并能够有效抑制噪声对二次谐波信号的影响,从而提升输出信号信噪比。     

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。     

可调谐激光吸收光谱学检测甲烷浓度的新方案研究

基于可调谐二极管激光吸收光谱的光纤气体传感器检测气体浓度,具有灵敏度高、选择性好、响应时间快等优点。目前报导的基于二次谐波的气体浓度检测系统,普遍采用一次、二次谐波幅值之比作为系统输出,消除光强波动的影响。研究中分析了二次谐波检测方案的特点与不足,提出利用一次谐波检测甲烷的浓度,以一次谐波峰峰值与平均值的比值作为系统输出,系统结构简单,并可抑制光源波长漂移和扫描步长等因素对系统检测精度的影响。实验结果表明甲烷的浓度与系统输出值之间具有很好的线性关系,其线性拟合系数为0.999,系统的分辨率和检测精度分别为20×10-6和100×10-6。     

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。     

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。     

基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的水汽测温研究

采用可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)的波长调制技术,实现气体温度的测量。通过波长调制的原理测量温度,考虑到H2O在大气中、工业生产中普遍存在的优势,选择H2O在1397nm附近谱线对,分别测量了谱线对在400℃、600℃、800℃、1000℃、1100℃5个温度测量点的二次谐波信号,通过分析二次谐波信号的峰—峰比值与温度的关系,获得温度测量值。实验结果表明,在400~1100℃温度范围内,系统测量的温度误差最大值不超过0.113%。     

基于可调谐激光吸收光谱的湿度传感器研究

针对湿敏电容式温湿度传感器存在的低温高湿环境测量不准确、响应时间长、高湿褪湿慢等问题,基于可调谐半导体激光吸收光谱技术,提出利用正弦波有效值归一法测量环境湿度,以二次谐波峰峰值和正弦波有效值的比值作为系统输出,抑制视窗污染和激光器功率衰减产生的光强变化对湿度测量的影响。在国家气象基本站与传统湿敏电容式温湿度传感器进行了比测,实验结果表明2种温湿度传感器测量数据的一致性很好,证明正弦波有效值归一法测量环境湿度的有效性。     

基于1397nm波长H_2O分子吸收光谱的温度测量研究

为了准确获得燃烧场温度信息,利用可调谐半导体激光吸收光谱技术进行了气体温度测量实验。利用1397nm波长范围内的两条H_2O吸收谱线进行气体温度测量,简化了实验装置和数据处理的复杂程度。将两种测量方法得到的温度与管炉温度对比,可以看出直接吸收光谱的测量误差在3%以内,波长调制光谱误差在4%。结果表明,1397nm波长范围内的两条H_2O吸收谱线可以用于TDLAS气体温度的测量,并且测量的精度较高。     

基于TDLS的光谱吸收型CO_2传感器仿真与实验研究

文中采用可调谐半导体激光器光谱吸收技术(TDLS),针对激光调制参数设置问题,建立CO_2气体光谱吸收理论模型,分析光谱吸收后产生基波、二次谐波信号与气体浓度的关系。使用Simulink进行仿真,研究激光器调谐系数对谐波强度的影响,并优化了实验系统的设计参数。通过搭建CO_2检测系统,进行气体浓度定标测试,得到气体浓度与谐波强度的关系,采用叠加平均和积分的方法处理检测信号,使系统性能得到显著提高。由此实现了CO_2气体高精度检测,为谐波检测技术的实际应用提供了参考。     

沼泽湿地甲烷气体浓度检测

针对传统沼泽甲烷气体检测方法中存在的过程繁琐、实时性差的问题,分析了基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱的光学式检测方法.提出通过计算一次谐波信号的峰值与平均值对气体浓度测量的方案,并结合虚拟仪器技术加以实现.经实验测试表明:该系统性能稳定,能够实现在线实时检测,检测精度(体积分数)为0.02%.     

便携式天然气管道泄漏二极管激光光学检测技术的研究

本文报道了基于近红外二极管激光吸收光谱、波长调制光谱及谐波探测技术进行天然气管道泄漏遥感探测的应用技术的研究,利用二次、一次谐波比值探测技术进行系统标定,就地形散射特性对测量结果的影响进行了系统的研究,散射体角度、距离及不同散射体对测量结果引起的误差约为10%, 可以很好地满足天然气管道泄漏遥感探测的要求。     

种子呼吸CO2浓度检测系统

针对传统种子呼吸CO_2浓度检测方法中检测精度低的问题,为了满足测量需要,提出一种采用可调谐二极管激光器吸收光谱技术的种子呼吸测量系统方案。该系统是由多次反射池结构的种子呼吸容器、分布反馈式激光器及其控制电路、光电转换及放大电路、数据采集电路、上位机软件等构成,设计种子呼吸容器其空间体积为1.5L,激光器光源采用2 004nm波段,多次反射池光程为16m。然后,基于朗伯比尔定律,通过波长调制吸收光谱技术,利用二次谐波实时反演出种子呼吸过程中产生CO_2气体的浓度。测试结果显示:种子呼吸CO_2浓度测量的稳定重复性为0.033%,CO_2浓度的线性拟合度为0.999 38,CO_2浓度检测极限为1.7ppm。通过实验对糯玉米种子进行检测,获得20g玉米种子呼吸的变化曲线,其12h内变化量为2 750.5ppm,呼吸速率为229.2ppm/h,实验结果表明该系统能解决种子呼吸CO_2浓度无法连续性测量、浓度检测精度低等问题。     

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。     

基于光谱吸收型光纤瓦斯探测传感器的研究

为了改善瓦斯传感器的测量灵敏度和误差,根据光谱吸收原理和谐波检测技术,采用分布反馈式半导体激光器(DFB LD)为光源,光电二极管为探测元件,设计了以锁相放大器为核心的光纤瓦斯探测传感器系统.采用单光路传输和光源调制技术实现瓦斯气体的谐波检测.根据二次谐波和一次谐波比值与瓦斯浓度的关系,拟合出二者的线性关系曲线,在理论和实验上均证明了该传感器具有较高的探测灵敏度和重复性,测量误差较小,为其在矿井瓦斯浓度预警奠定了应用基础.     

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。     

基于温度补偿的甲烷检测系统设计与实现

由于现场农田环境的复杂多变性,红外甲烷传感器所测数据的准确性和稳定性受外界环境温度影响较大,因而由温度造成的浓度测量偏差需要补偿。分析温度对浓度测量的影响,采用温度、浓度控制单一变量法,对同一浓度甲烷标准气体在不同温度下作标定实验,研究红外甲烷传感器输出值随温度变化关系,得到补偿温度影响率,结合补偿数据处理算法得到补偿值。针对不同浓度的甲烷气体,进行温度特性实验和温度补偿数据处理,实验结果表明:温度补偿前最大测量误差为0.2%,经补偿后,甲烷浓度测量值随温度变化较小,误差范围为0~0.02%。补偿后传感器稳定性和准确性得到改善,能检测0~5%浓度甲烷气体,检测精度可达40×10-6,满足对CH4气体实时监测需求。     

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。     

基于虚拟仪器的微弱信号检测处理技术研究

本文针对检测大气中有害气体浓度的热点问题,提出了运用相关检测技术对微弱气体浓度信号进行检测,通过可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术对大气中的有害气体浓度信号进行初步采集,然后对采集到的信号进行除噪处理.通过理论的分析与证明,相关检测技术可有效的分析出被测信号中的有用信号,而且可以在噪声功率大于有用信号功率的情况下对有用信号进行有效识别.为了进一步验证该方案的有效性,本文还建立了LabVIEW的仿真实验平台,结论有效地论证了通过可调谐半导体激光吸收光谱技术与相关检测技术相结合可以方便的提取噪声中的有用信号,从而检测出气体的浓度.     

MSP430单片机在激光CO气体检测仪上的应用

利用光纤传感与二次谐波检测相结合的方法设计了一款激光CO气体检测仪,并给出了以MSP430FG437单片机为核心的仪器MCU模块的硬件和软件设计.利用MSP430内部D/A输出检测所需的正弦波和三角波;再由高精度A/D检测一次谐波、二次谐波、温度和压强信息;然后通过RS232C和计算机通信.该仪器具有抗干扰能力强、测量精度高、不需经常标定等优点.     

光纤甲烷气体传感器的研究

在对甲烷气体分子近红外吸收光谱分析的基础上,采用1.66μm分布反馈式半导体激光器作为光源,应用二次谐波检测技术,实现对甲烷气体的浓度检测,检测的灵敏度为7×10-5/m。大气和工业污染中的其他气体分子的含量也可通过调换光源及相应的光学器件采用类似的方法测量。