基于TDLAS技术的人体呼气末CO_2在线检测

呼出气体分析是一种测量呼出气体成分和含量的新技术,在人体健康的无创检测和分析中应用得越来越广泛。基于低成本微型垂直腔面发射激光二极管(VCSEL)搭建了可调谐激光吸收光谱(TDLAS)气体分析系统,实现了人体呼出CO_2的在线测量。该系统主要由激光管、驱动控制电路、光电探测器、放大电路、数据采集卡、控制软件、锁相放大器及赫里奥特气体池构成。该检测池的体积为400 mL,有效光程为20 m,激光光源的中心波长为1579.57 nm。采用波长调制吸收光谱技术中的二次谐波幅值反演计算人体呼出CO_2的浓度。该系统可以实现精准、无损、高效地在线测量人体呼出CO_2气体的浓度,波动范围小于±0.06%,灵敏度为0.14%。这一研究为近红外TDLAS技术研究人体呼出气体与相关疾病标志物的无创检测提供了新的研究思路。     

基于TDLAS技术的酒精气体浓度检测方法研究

为满足快速检测酒精气体浓度仪器的需求,研究了半导体激光器吸收光谱气体分析技术的基本原理,构建了一套调谐激光光谱技术与长光程池相结合的实验装置,详细介绍了测量系统的总体设计方案,从而解决了抗干扰性不高及分析速度缓慢等问题。重点对不同浓度的酒精气体进行特征峰值吸收测量实验,构建出酒精气体浓度检测TDLAS实验平台,为酒精气体浓度实时检测提供一定参考。     

基于激光吸收光谱多点瓦斯监测技术的研究

研究了可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术在煤矿多点瓦斯监测中的应用.分析讨论了基于光谱吸收原理的多点瓦斯实时监测系统的设计方案,TDLAS技术、分布式光纤传感技术和时分复用的信号检测技术相结合,实现多点气体浓度的光学传感.提出了在光路中嵌入标定池的方法来反演浓度.通过不同浓度的瓦斯气体对系统性能进行了测试,检测限低于60×10-6.研究表明系统方案可行,该技术具有实时、连续、非接触快速检测的特点,能够满足矿井瓦斯多点安全监测要求.关键诃: 激光吸收光谱;光纤传感技术;瓦斯;时分复用     

基于可调谐二极管激光光谱技术的火焰CO2浓度检测方法研究

研究了基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的火焰CO2浓度检测方法,确定了TDLAS二次谐波检测在高温环境下的浓度反演方法,并在实验室通过静态吸收池进行了验证,为TDLAS遥测系统应用于工业燃烧测量打下了基础.     

基于深度学习算法的原位激光CO2检测系统研制

随着全球变暖日益严重，精准检测CO₂浓度具有重要的研究意义。可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)具有高灵敏度、高分辨率等特点，被广泛应用于气体检测领域。为进一步提升TDLAS气体检测技术的检测精度，本文提出一种基于深度学习的原位激光二氧化碳检测系统。该系统采用BP神经网络算法反演CO₂浓度，补偿了温度压强对气体浓度反演的影响，提升了检测精度；采用无线通信模块，通过MQTT协议将检测的CO₂数据上传至OneNET云平台，实现了CO₂浓度的原位检测。经测试，该系统可以快速、稳定的处理数据，并且适配于其他气体检测系统。     

用于CO激光TDLAS型气体检测系统的光电检测电路研制

准确检测CO浓度对环境保护和安全生产具有重要的意义,TDLAS技术是一种高效、高精度的CO气体浓度检测方案。设计了一种用于CO激光TDLAS型气体检测系统的光电检测电路。CO气体选择性吸收由激光器发出的特定波长信号,而后光信号经过光电探测电路转换为有效的电压信号,运用TLC4545模数转换芯片进行数据采集,并将其发送到主控芯片STM32F105R8进行处理,使用W25Q128闪存完成对实验数据的存储,最后数据通过串口调试助手进行显示。经过实验表明,该电路可以实时、稳定、精确地将光信号转换为电信号,且灵活性强,可应用于其它气体检测系统。     

用于人体呼气检测中CH4气体检测的激光器温控系统设计

人体呼气检测是一种便捷有效的临床诊断手段,通过检测人体呼出气体中CH₄浓度能够实现消化科、内分泌科等领域的疾病的无损检测。使用TDLAS技术进行人体呼气检测是一种精确、便捷的检测方法。针对TDLAS型CH₄气体检测系统,本文设计了基于FPGA的激光器温控系统。系统选用XC6SLX25为主控芯片,主控制器通过模数转换芯片AD7691实时获取激光器的温度,将实际温度与设定温度进行数字PID运算后,改变数模转换电路输出的电压控制TEC驱动芯片AND8835实现对激光器温度的控制。经过试验测试,该温控系统可以高效、精确、快速的对激光器进行温度控制,控温精度达到±0.01℃。     

FPGA主控型数字锁相放大器设计及光谱测量EI北大核心CSCD

针对激光传输实验中传输内通道空间狭小、CO_(2)浓度低的特点,结合波长调制TDLAS技术,设计了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的数字锁相放大器,实现锁相放大和数据采集功能一体化,并将其成功应用于低浓度CO_(2)检测中。为解决低浓度CO_(2)吸收微弱、噪声强等问题,设计了高精度ADC模块,电压分辨率可达0.3 mV;基于DDS原理内部产生正余弦参考信号,保证谐波信号单一性,且实现参考信号频率可调节,覆盖范围1~40 kHz;改进了CIC滤波器,并通过降采样级联FIR滤波器的方式,以较少的硬件资源消耗实现窄带低通滤波,积分时间200μs~20 ms可调;基于CORDIC算法实现平方和开根运算,相较于JPL算法精度更高。为系统更加小型化,基于Qt实现上位机并结合串口通信,使锁相放大器兼具数据采集处理功能。常温常压光程30 m条件下,测量了CO_(2)在2μm波段的吸收光谱,获得波长调制吸收光谱信噪比为102.6,相较于直接吸收信噪比8.8,提高约11.7倍;设计并开展低浓度CO_(2)标定实验,获取二次谐波信号幅值和CO_(2)浓度之间的线性关系,相关度为0.996;在纯氮气条件下,利用Allan方差评估了系统性能,平均时间为2 s时,系统检测下限1.30 ppm(1 ppm=10−6),平均时间为180 s时,系统检测下限0.19 ppm;分析了系统响应时间,可在0.5 s内获取气体浓度。实验结果表明,设计的数字锁相放大器具有测量灵敏度高、参数可调节、能够实时处理和小型化的特点,可满足传输内通道中低浓度CO_(2)的检测需求。     

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.     

基于多次反射样品池的TDLAS逃逸NH3检测研究

时域激光吸收光谱(TDLAS)技术具有高选择性、 高准确性优点,为逃逸NH₃的在线检测提供了可靠的技术手段。本文利用TDLAS 系统分别在White和Herriott 两种样品池中对浓度为(10～100)×10－6的NH₃进行检测, 采集得到其二次谐波光谱,比较 了两种样品池测量结果,分析对比两种样品池的优缺点。实验显示,Herriott样品池的噪声 要大,根据光谱曲线的标准偏差得到White样品池最低检出限为1.21×10－6 ,Herriott样品池 的检测限为1.61×10－6。结果表明,Herriott样品池更适合 恶劣环境现场应用,能够满足逃逸NH₃的痕量检测要求,适合在线监测。     

基于TDLAS技术气体浓度测量的温度修正方法

精确检测气体浓度在大气环境保护、工业生产控制、废气排放监测等领域有着迫切需求。可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)是实现气体浓度精确检测的重要方法,然而温度变化却为浓度精确测量带来较大误差,因而对检测结果进行温度修正是十分必要的。本文从理论角度出发,阐述了TDLAS技术检测气体浓度的温度影响机理,重点分析并归纳了基于TDLAS技术的气体浓度测量的温度影响修正方法,并展望了其发展趋势。     

基于TDLAS甲烷检测系统的长光程池研究与设计

采用Herriott型长光程池结构原理,通过理论研究和仿真分析得到一定条件下Herriott池反射次数最优解,利用镀膜凹面镜作为反射镜,在池体上集成光学元件,进行了长光程、低成本、小体积光程池的设计。经过实验验证,所设计的物理长23cm,体积243mL的光程池,能达到11m有效光程长,并搭建在TDLAS甲烷检测系统中,结果表明检测下限最低浓度为476 ppb。这为低浓度、高精度、微型化的TDLAS甲烷检测系统的推广应用提供了一种有效的途径。     

用于TDLAS二氧化碳检测系统的光电探测电路设计

通过精确检测CO2气体浓度控制CO2气体排放是治理大气温室效应过程中最重要的部分,采用TDLAS技术构建的CO2气体检测系统稳定度高、精密性好,是一种新型的检气方法.设计了一种应用于TDLAS型CO2检测系统的光电转换模块,用于接收转换气体选频吸收后的激光信号.激光经过CO2气体选频吸收后被光电二极管接收,由TLV35...     

GIS中HF气体检测用TDLAS传感器的设计及吸附实验

HF气体是气体绝缘封闭开关设备(GIS)中SF6气体的重要分解产物,是评价高压组合电器微水环境及故障隐患的重要指标,因此对HF气体的检测意义重大。采用分布式反馈激光器(DFB)的可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)的传感器来实现对GIS气室中HF气体的检测。设计了激光信号发射及接收电路,实现对发射激光信号的调制及对激光器温度的控制,并对探测输出信号进行动态放大及电压跟随,进一步提升系统的稳定性及灵敏度。搭建实验系统,对304不锈钢(SUS304)、聚四氟乙烯(PTFE)及偏聚二氟乙烯(PVDF)等3种材质光程池进行气体吸附实验,不同进样次数对应的谐波幅值指数拟合结果显示吸附饱和后二次谐波幅值基本保持不变,趋近恒定极值,一阶指数拟合相关系数R2分别为0.995、0.996、0.997,PVDF进样3次后达到吸附饱和,气体测试的响应时间为3 min,性能最优。吸附机理分析SUS304吸附过程中静电引力起到关键作用,而PVDF及PTFE材料微孔结构发达,Vander Waals force起主要作用。HF气体校准实验显示气体浓度与二次谐波幅值的线性关系良好,拟合系数R2为0.9985,浓度反演的最大绝对误差为-0.83,最大相对误差为-2 %,检测下限为0.85 ppm。综上,设计了用于GIS气室中HF气体检测的TDLAS传感器,实验验证了PVDF材质光程池在吸附时间及检测精度等方面的优势,并从物质结构角度对吸附机理进行了分析。     

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。     

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.     

TDLAS系统动态光强跟踪检测电路研制

TDLAS系统利用气体对特定波长的激光吸收的原理进行气体检测,激光的光强稳定性对系统的检测精度和稳定度有着重要的影响。针对TDLAS系统激光器光强的变化,本文研制了动态光强跟踪检测电路。电路采用STM32H7B0作为主控制器,设计了低噪声的高速前置放大器,并使用压控放大器AD8367调整电路的增益。主控芯片实时检测光强变化情况,并控制放大器调整检测电路的增益,实现动态光强跟踪。经过测试,该检测电路可以根据激光器光强变化实时的调节增益,稳定的输出电压信号,消除了激光器光强的变化对TDLAS检测系统的影响。     

激光超声无损检测系统设计

自20世纪70年代中期发展起来的激光超声新技术,其主要特性是它能以非接触的方式对物体进行无损检测,检测是在顷刻间完成的,并且便于与光学扫描相结合.本文中研究了采用激光超声进行无损检测的系统,完成了对系统光路、前置放大电路以及解调电路的设计,并且通过实验测得系统的检测误差率约为0.49%.     

TDLAS技术气体检测二次谐波信号的仿真与分析

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术结合半导体激光器可调谐的特点及气体分子对特定波长能量光的吸收特性,凭借灵敏度高、响应时间短等优势广泛应用于气体浓度检测。TDLAS技术气体浓度检测包括波长调制、气体吸收、二次谐波解调等环节,吸收信号的二次谐波分量携带气体浓度信息,用于计算气体浓度。利用MATLAB对气体检测过程进行了信号仿真,并利用数字锁相放大算法提取了二次谐波信号,验证了二次谐波与气体浓度的关系。通过仿真分析了二次谐波信号随调制系数的变化关系,以便确定较佳的调制参数,为后续系统搭建与气体检测实验提供参考。     

一种基于TDLAS谐波探测技术的甲烷传感器

实验研究了近红外二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术在煤矿瓦斯气体安全探测中的应用.基于TDLAS的自平衡二次谐波探测方法能够有效地消除激光器光强波动等共模噪声和其他同性干扰的影响,特殊设计的气体吸收池能有效抑制光学干涉条纹,从而降低检测限.实验中吸收池长10 cm,充有10300 ppm的甲烷气体,检测限低于6.5 ppm.这种方法不需使用多次反射池,光路调节简单,能适应煤矿中甲烷气体的监测.