基于虚拟仪器和激光技术的气体浓度检测

本文针对目前用光电技术检测气体浓度存在精度较低、可靠性较差等问题,提出了一套新的光电检测气体浓度的方案.该方案基于迈克尔逊干涉仪在不同的气体中光程差的不同,会导致干涉条纹的移动和强度的变化的原理,采用激光双光路干涉法其中一路干涉光参考,一路光测量,通过两路干涉条纹的比较,消除系统误差和外界环境干扰,提高测量精度.实验利用UNIQ UM201的CCD和PCI总线的图像采集卡在LabVIEW环境下采集干涉条纹,并对采集到的图像进行数据处理,在外界微弱的变化下,图像发生改变,该实验方案有很高的灵敏度和响应速度.     

基于差分红外吸收的甲烷浓度检测系统

红外吸收法是目前甲烷浓度检测的理想手段,但其成本较高,难以推广应用.本文采用宽带红外LED光源并配合PIN光电二极管,设计了一种低成本的甲烷检测系统.为了克服因采用宽带光源带来的不足,设计了一种差分光路,并采用差分比例算法来保证系统的稳定性和精度.最后,通过实验验证了本系统及提出算法的有效性.     

基于激光诱导荧光技术的蒽检测系统

介绍了一种用Nd：YAG的三倍频（波长355nm）作为激发光,CCD作为探测单元,加上其他光学元件构成的激光诱导荧光检测系统,并测量了蒽的乙醇溶液的荧光光谱。分析了荧光强度与蒽溶液浓度的关系。实验结果表明,蒽溶液浓度在0．003～0．700mg／L范围内与荧光强度有良好的线性关系,相关系数为0．9987,检出限为1．3ng／mL,蒽的回收率在98％～106％范围内。系统适合用于蒽的激光诱导荧光检测。     

基于太赫兹超材料技术低浓度莠去津的快速检测

除草剂不恰当的处理会导致土壤、水和空气的污染,并且会通过环境进入食物链,影响人体健康。莠去津作为常见的除草剂,在世界范围内的水环境中经常被检测到。目前常用的检测方法主要依赖于大型仪器,一般需要复杂的预处理,并且对操作人员的技能要求较高,难以普及。随着光学材料的发展,太赫兹超材料技术如今已扩展到越来越多的领域,常用于识别物质的细微变化。采用太赫兹光谱技术结合超材料检测低质量浓度莠去津溶液（0,1,10,100,1 000和2 000μg/L）,测得的透射谱经过归一化处理以及拟合分析。实验结果表明,利用太赫兹光谱技术结合超材料能够精确检测到1～2 124μg/L的莠去津质量浓度变化,有效提高农药检测的灵敏度。     

光纤周界安防系统端点检测技术的研究

光纤周界安防系统是一种利用光纤作为传感介质的传感系统,通时计算机对传感系统的输出信号进行处理.以往的算法都是对计算机接收到的信号直接进行定位及模式识别处理,由于接收到的信号在大部分时间都是无用的静默信号,限制了系统的效率.在简单阐述光纤周界安防系统原理的基础之上,介绍了端点检测技术,有效截取信号中的有用目的信号,最后结合实验数据,着重分析了短时能量和短时过零率两种端点检测方法所存在的问题,并提出了相应的改进办法,滤除了无用信号,并在一定程度上排除了自然界中风和雨的干扰.     

分布式光纤瓦斯气体浓度测量的研究

利用光纤布拉格光栅的梳状窄带滤波特性,通过检测瓦斯的特征吸收谱线的方法来监测瓦斯气体的浓度,并且利用光纤光栅的空分复用和波分复用特性,实现多点分布式监测.通过多波长同时探测的方法提高系统分辨能力和精度.测量系统瓦斯气体的浓度测量范围为0～5%,测量精度大于0.1%,监测距离为50km.     

基于激光差分探测技术的悬浮物质量浓度测量方法

提出了一种基于激光差分探测技术的悬浮物质量浓度测量方法,用于测量烟雾、粉尘等空气悬浮颗粒的含量。利用悬浮颗粒对光的散射,可以在不影响悬浮物颗粒特性的前提下,对其实现实时在线监测。另外,借助于参考光与测试光的直接差分放大,可以消除激光能量起伏以及其他扰动对测量的干扰。通过对激光在悬浮物颗粒中传播时衰减原理的研究,获取悬浮物颗粒质量浓度与光强衰减的关系,搭建了一套激光差分探测悬浮物质量浓度的实验系统,进行烟雾质量浓度的实际测量,验证了该测量方法的可行性。     

基于光纤激光器的相干多普勒激光雷达

介绍了一种基于掺铒光纤激光器的相干测速激光雷达,该雷达具有成本低、可靠性高和结构新颖的特点。雷达系统的光路完全采用通信用光纤器件构成,单模光纤耦合器用作分光器和混频器,偏振无关的光纤环形器用作光学天线收发开关,所有光路器件采用单模光纤连接。雷达系统采用频谱分析法进行鉴频获取中频信号的中心频率。研制了原理样机并进行测速试验,系统可以探测的最小速度小于0.4 mm/s,测速精度优于0.1%,输出非线性度小于70×10~(-6)。     

基于TDLAS和ICL的紧凑中红外痕量气体探测系统

为了实现基于可调谐激光吸收光谱技术的高检测灵敏度、低功耗、小型中红外痕量气体传感器设计,结合锑化镓(GaSb)ICL和紧凑型多反射气体吸收气室(MPC)研制了基于不同结构传感光学核的两个小型TDLAS传感系统。两个传感光学核的总功率消耗为3.7 W,并通过探测甲烷(CH4)和甲醛(CH2O)分别验证了双层结构和单层结构系统的性能。实验结果表明:CH4和CH2O系统的检测灵敏度分别为5.0nL/L和3.0nL/L,测量精度分别为1.4nL/L和1.0nL/L。此外,相同配置情况下将两种结构系统应用于甲、乙烷(C2H6)同步检测,通过对校园环境中甲、乙烷进行连续66h的监测试验,验证了设计的紧凑型中红外痕量气体检测系统能够稳定有效地工作,基本满足目前民用气体测量的稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。     

基于光纤耦合的激光引信测试设备

为实现激光引信发射光功率和灵敏度的准确测量,将光纤耦合技术应用到激光引信测试设备的研制中,开展了激光引信原理和激光耦合光纤特性的分析,提出了一种基于光纤耦合半实物仿真的设计方案。采用带调整机构的激光耦合光纤装置设计,提高了光纤的耦合效率;采用基于衰减片组合的光学衰减机构设计和基于分光棱镜的光学系统设计,实现了激光引信回波的实时调整和准确测量;采用基于总线的实时测控系统设计和LabVIEW模块化软件设计,实现了良好的人机交互界面,最后用测量系统分析法对测量设备的精度、重现性和一致性进行了评估分析。研究结果表明,该系统能够准确测量激光引信的光功率和灵敏度,且测量精度和测量误差均满足要求。     

Simultaneous measurement on gas concentration and particle mass concentration by tunable diode laser

The method of simultaneous measurement on gas concentration and particle mass concentration by tunable diode laser absorption spectroscopy is developed. The method is validated using a 1.58 μm diode laser with wavelength modulation spectroscopy. The experimental environment of particulated gas flow is imitated by adding uniform-sized quart sands into CO₂ gas. Calibrated second harmonic signals are proved to be independent of particle effects but only depend on gas concentration, and particle mass concentration can be calculated from the attenuation of laser power. This technique would be helpful to improve the quality and applicability of tunable diode laser absorption spectroscopy in emission monitoring.     

角散射低质量浓度烟尘在线测量系统设计

针对燃煤电厂低质量浓度烟尘排放在线监测问题,研究了燃煤电厂排放烟尘粒径特征,通过对该粒径颗粒的散射进行仿真计算,设计了基于角散射原理的低质量浓度烟尘在线测量系统。利用该系统对低质量浓度烟尘进行了测量,实验验证了低质量浓度下角散射光强度与烟尘质量浓度成正比,同时拟合得到了角散射光强与烟尘质量浓度成线性关系,拟合因子R2为0.972,这为后续燃煤电厂排放监测应用提供了参考。     

Mobile spectroscopic system for trace gas detection using a tunable mid-IR laser

We describe a mobile spectroscopic system for trace gas analysis based on the open path differential absorption spectrometer and the photoacoustic spectrometer. The first method allows long distance measurements (up to a few kilometers) while the second one provides local in situ detection of pollutants. The open path system is based on the nanosecond (f = 10 Hz, tau = 5 ns) lamp pumped Nd:YAG laser and a tunable two cascade optical parametric generator operating in the 5-12 microm spectral region. This source was mounted into the lidar setup based on the coaxial transmitter/receiver. The photoacoustic system was constructed using the same laser as well as a nonresonant photoacoustic cell.     

基于模糊PID控制的气体泄漏检测系统的容积补偿

容积补偿装置控制系统的性能决定了泄漏检测系统的稳定性、检测精度和检测速度。针对在常规PID中引入设定权值后超调量减小,而过程响应的上升时间却增加的问题,参考ZN整定法设计并优化了自适应设定值权值的模糊PID控制器;建立了控制系统数学模型,采用Matlab/Simulink进行了模糊PID控制与优化后模糊PID控制的仿真比较;最后,分别采用模糊PID控制与优化后模糊PID控制作为容积补偿控制算法,设计了检测系统的控制软件,并进行了实验。仿真和实验结果表明,优化后的模糊PID控制器在保持其他性能指标的同时,能很好地抑制过程超调量并且不降低设定值响应速度。     

基于全光纤干涉的新型光纤长度测量系统

设计了一种新型的光纤长度测量系统,该系统基于全光纤干涉系统,通过扫频系统和压电陶瓷实现对两束相干光信号的相位差进行调制,并在信号处理端检测出待测光纤的消光频率从而计算出待测光纤长度.与传统的时域反射仪(OTDR)测量方法相比,该系统不存在测量盲区,适用于各种长度光纤的测量.从理论上分析了系统的可行性,并用实验加以验证.实验结果表明该系统的测量结果与OTDR基本一致.     

基于半导体激光器的乙炔气体光声光谱检测及其定量分析

油中溶解乙炔是变压器等油浸式电气设备早期放电性故障的重要特征气体。基于半导体激光器的光声光谱传感技术具有灵敏度高,选择性好等优点,能很好地应用于微弱气体检测中。论文构建了基于分布反馈半导体激光器光声光谱检测装置,并分析了光声池的特性参数;实验研究了光声信号与激光功率、乙炔气体浓度之间的关系;并借助激光器的波长调制特性,研究了乙炔分子在近红外区第一泛音带1.5μm附近的光声光谱;提出了一种基于最小二乘回归的光声光谱定量分析方法。理论和实验结果为乙炔的光声光谱在线检测及高灵敏度可调谐光声光谱仪的设计提供了参考。     

基于Matlab GUI框架下激光选区熔化成形铺粉质量检测系统研究

在激光选区熔化成形设备铺粉过程中,存在刮刀条纹、刮刀撞击、铺粉不完全、超高角和碎屑5种铺粉缺陷。为了实现激光选区熔化成形铺粉质量的在线和离线检测,基于Matlab GUI软件设计了一个激光选区熔化成形铺粉质量检测系统。利用Matlab图像捕获工具箱实现图像的实时采集,或将已采集的铺粉图像进行单张或批量质量检测,提取铺粉缺陷特征并显示结果、缺陷位置和运行时间;铺粉质量检测结果可保存为.txt文件,方便操作人员对激光选区熔化零件成形质量分析。系统对人工智能在灰度粉末铺层表面的均匀性进行了有益的探索,利用计算机图像识别技术代替人眼,判断激光选区熔化成形铺粉表面缺陷,为激光选区熔化成形铺粉质量分析提供了一个强有力的工具。     

基于激光测距的节温器检测

节温器作为发动机冷却系统中的自动调温装置,其工作稳定程度直接影响着发动机的工作性能。目前针对机械式节温器的性能检测方法存在着测量数据不完备、测量精度较低、安全隐患大及操作不便的问题。为解决这些问题,利用激光测距技术以非接触的方式实时测量节温器升程值,同时通过温度传感器获取对应的实时温度,从而获取反映节温器性能的完备数据。该方法是一种准确、安全、便捷的非接触式检测方法,温度测量精度达0.1℃,升程测量精度为1mm。通过构建的检测系统对解放J6节温器进行了实验验证,结果表明该系统能够准确高效地实现节温器性能检测,包括温度稳定性、性能一致性、故障判断标准等,适用于发动机日常维修及教学实践工作。     

基于ABAQUS含分层缺陷塑料内胆纤维缠绕气瓶红外检测研究

将ABAQUS有限元分析方法的计算结果和含分层缺陷塑料内胆纤维缠绕气瓶红外检测试验的实测结果进行对比。结果表明,基于ABAQUS的有限元计算结果与试验结果最大误差为16.36%,网格独立性检验表明,网格数量对有限元计算结果影响很小,最大误差为0.25%,在实际工程允许误差范围内,证明了有限元计算结果的准确性,为后续基于有限元方法研究含缺陷塑料内胆纤维缠绕气瓶红外检测提供借鉴。     

双通道激光主动探测系统

为了有效探测“猫眼”目标的微弱回波信号并获得目标区域的直观图像信息,设计了基于雪崩光电二极管(APD)单元探测器和电荷耦合器件(CCD)面阵探测器的双通道激光主动探测系统.介绍了硬件设计的基本思路,包括各模块功能、组成和主要部件所采用的型号.针对双通道探测模式的关键技术,阐述了APD探测模式下接收放大电路的设计方法,并分析了CCD探测模式下响应波长的匹配问题.最后,在外场条件下,利用望远镜和激光测距机等典型“猫眼”目标对该双通道激光主动探测系统进行了实验验证.实验结果表明,利用APD探测模式进行探测时,550 m距离处望远镜的回波能量响应是类镜面目标回波能量响应的2.87倍以上;利用CCD探测模式进行探测时,550 m距离处望远镜的回波能量响应和2 500 m距离处激光测距机光学窗口的回波能量响应分别是背景目标回波能量响应的2.72倍和2.31倍以上.该双通道激光主动探测系统可将典型“猫眼”目标从背景及干扰目标中清晰检出,验证了探测系统设计的合理性和有效性.