差分红外型甲烷浓度光纤网络传感系统的研究

基于甲烷气体在其特征吸收波长下光的吸收程度随浓度变化的机理和差分吸收测量方法,结合空分复用技术和长光程吸收池技术,并考虑煤矿矿井中环境的特点,复用多个气体吸收型光纤传感器.介绍了利用差分红外光谱方法测量矿井中甲烷浓度的光纤网络传感系统的工作原理,给出了系统的结构框图.实验表明,吸收气室光程长为20 cm时,该传感器的检测限为4.278 mg/m3,精确度和稳定性可以满足实际要求,可在不同场合进行多点在线测量.     

基于虚拟仪器的瓦斯浓度检测系统

研究了一种差分吸收瓦斯浓度检测系统.基于近红外光谱吸收原理,分布反馈式激光器(DFB)发出波长为1 650 nm的光,一路经过光纤传输到待测气室与甲烷气体发生作用,另一路经过光纤直接传到参考气室,将两路携带有用信息的光信号通过硬件电路转换为电信号,由虚拟仪器开发的软件进行采集、处理,得到浓度与电压的信息.实验结果表明:该系统起到了实时检测与监控甲烷气体浓度的作用.     

可调谐激光吸收光谱光纤甲烷传感器研究

甲烷光谱吸收与气室温度有关,结合甲烷波长1 653.72nm附近2v3带R(3)支的3条吸收线,分析温度波动对甲烷吸收线的谱线特性及气体浓度反演产生的影响.基于可调谐二极管激光吸收光谱设计了一套带温度信号采集装置的甲烷浓度检测系统,利用校准系数将不同温度下检测得到的二次谐波信号转化为参考温度下的标准信号,反演待测气体浓...     

CH_4近红外域1.33μm和1.66μm藕合带用光学纤维传输吸收光谱的研究

本文叙述了用高辐射二极管I_nG_aA_sP(LED)作光源在近红外域中测量CH_4的波长为1.33μm(7512cm~(-1))的v_2+2v_3,及波长为1.66μm(6038cm~(-1))的2v_3耦合带.也证明了利用超低损耗光纤远距离传感有害,有毒,易爆气体(如CH_4)的可能性.     

盲信号分离的光声光谱微量气体测量技术研究

基于传统毒气报警器受自身的探测灵敏度的限制,对混在毒气里的微量毒气不能有效测量这一缺陷,研究基于盲信号分离的光声光谱微量气体测量技术。设计一种采用LED光源离轴石英增强型光声光谱测量有毒有害气体的检测平台,用盲源分离方法对混合气体红外吸收谱区域有重叠的气体进行分离。根据实验数据,光声光谱气体传感器可以有效地检测微量气体,并且可以达到一定测量精度。     

光谱吸收式全量程甲烷检测技术的研究

可调谐半导体激光吸收光谱(TDJAS)技术利用半导体激光器波长调谐特性,获得被测气体的特征吸收光谱范围内的吸收光谱,结合波长调制技术实现二次谐波探测,从而对气体浓度进行定性或者定量分析.这种方法不仅精度较高,选择性强而且响应速度快.基于这种技术,进行全量程光纤式甲烷气体监测方法的研究,根据被测气体的浓度变化,通过改变光源温度来选择合适的中心波长,从而实现全量程高分辨率的甲烷气体浓度实时检测.实验表明该系统具有很高的检测灵敏度、精度、分辨率和稳定性.     

基于腔增强吸收光谱技术的气体探测研究

以近红外可调谐半导体激光器为光源,以反射率为99.7%左右的平凹镜组成的稳定光学谐振腔作吸收池,构建起一套腔增强吸收光谱（CEAS）系统;以二氧化碳气体（CO2）、一氧化碳气体（CO）、甲烷气体（CH4）以及一氧化碳和二氧化碳的混合气体为样品,利用分子在近红外波段的特征吸收,研究了在近红外波段用CEAS技术探测CO、CO2、CH4等气体的可行性;同时也对基于可调谐半导体激光器的CEAS系统中激光器的波长定标、谐振腔（吸收池）的透射特征等做了研究,获得了CO、CO2、CH4以及CO和CO2混合气体的特征吸收谱,最后对CEAS技术在定量测量方面的能力做了研究.研究结果表明,CEAS技术的探测灵敏度可达5.687×10^-7cm^-1,是一种装置简单、操作方便、灵敏度高、稳定性好的定量吸收光谱技术.     

煤层气运移分馏机理初探

煤层气的分馏效应是指运移过程中气体组份和同位素值发生变化的现象.分馏机理的探讨对煤层气的运移聚集具有重要指导意义.本文以吸附势理论为指导,以等温吸附实验数据为依据,对甲烷碳同位素和多组分气体分馏机理进行了探讨.确定了4种分馏机理的存在:(1)解吸-扩散-运移不仅造成甲烷碳同位素分馏,而且造成多组分气体分馏.13CH4因其吸附势普遍高于12CH4而具有优先吸附、滞后解吸的特征,12CH4更容易发生运移分馏.二氧化碳与甲烷相比,具有优先吸附、滞后解吸的特征,特别是在高压下,甲烷具有强的分馏效应;(2)发生在地下水径流带的溶解作用使得13CH4被优先溶解并被运移至滞留区聚集,12CH4保留在原地;(3)浅部次生生物气的产生造成甲烷碳同位素变轻的假象;(4)高温裂解气的生成造成甲烷碳同位素变重的假象.4种分馏效应都引起浅部甲烷碳同位素变轻,深部变重,这已为众多的实例所证实.     

HFCVD法制备SiC材料及结构分析

采用热丝化学气相沉积(HFCVD)技术,以甲烷(CH4)和硅烷(SiH4)作为源反应气体在Si(111)衬底上生长了晶态SiC薄膜.通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅立叶红外(FTIR)等分析手段对样品结构、组分进行了分析.实验结果表明所制备的样品为SiC晶体.     

基于热电效应的痕量气体检测技术研究

针对目前传统痕量气体检测技术的不足,利用痕量气体分子在远红外波段4000～400 cm-1的吸收光谱特征,研究了一种基于红外热电效应的痕量气体检测技术.该技术采用热电堆作为探测器,不锈钢气体吸收腔兼作红外反射器,建立了探测器原型,并以甲烷气体作为样本气体进行了试验验证.结果表明:可通过选择不同中心波长的光学滤波器以探测...     

基于煤矿瓦斯浓度的窄带光源谐波检测技术研究

在对煤矿瓦斯气体浓度的检测中,由于噪声、气体的吸收峰很窄、光源波长随温度的漂移等原因将引起测量的不稳定,通过采用对激光器的中心波长和气体吸收峰中心波长对准,测量光经过气体时的损耗就可以检测气体的浓度,利用一次谐波作为误差信号,可将光源精确地锁定在气体吸收峰上,并给出了窄带光源谐波检测的理论依据。实验结果表明,该方法可应用于甲烷气体浓度的光谱测量,它具有高精度、强选择性、快速响应等特点。     

Laser Methane Sensor and the Study of Cross Interference

A methane sensor system was designed based on tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) technology and the feature of vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) with wavelengths up to several nanometers. We studied the gas present in the methane sensor''s common operation environment. Through absorption spectrum stimulation and experiments,we analyzed the cross interference of the gas of H₂O, CO and CO₂ to methane detection. The results prove that this laser methane sensor has the characteristics of high stability and anti-cross interference.     

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。     

高精度纳秒级红外量子级联激光器驱动电源

采用DSP和模拟PI控制技术,设计并研制了一种高精度纳秒级驱动电源。其硬件主要包括纳秒脉冲产生电路、恒流控制电路、慢启动电路、静电保护电路、过流保护电路等。控制方案上主要使用模拟PI算法,通过反馈控制,稳定输出电流。所研制的驱动电源脉冲宽度为15ns,峰值驱动电流为20A,脉冲上升/下降时间小于5ns。利用该驱动电源对中国科学院半导体所研制的中心波长为7.71μm的量子级联激光器进行驱动测试。结果表明,在长时间(>100h)运行中,激光器工作状态稳定,中心波长未出现漂移,驱动电流无毛刺出现,为激光器在红外气体检测中的应用提供了性能保障。     

基于激光吸收光谱的水泥工业废气检测方法

可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术具有灵敏度高、选择性强、响应快速等特点。利用中心波长为1579nm的光通信波段光纤耦合近红外分布反馈（DFB）式半导体激光器,结合波长调制技术,建立了基于TDLAS的水泥工业废气实时检测实验装置。通过波长调谐使激光波长同时覆盖CO和C02的吸收线,实现对这两种成分的同时检测。CO和CO2的最低检测浓度可达4×10-5（体积分数）,满足对水泥工业废气的检测要求。     

高稳定、强鲁棒性DFB激光器温度控制系统

为减少分布式反馈(DFB)激光器输出波长和光功率受其工作温度波动的影响,采用Ziegler-Nichols比例-积分-微分(PID)控制算法,设计并研制了一种具有强鲁棒性的DFB激光器温度控制系统。利用该温度控制系统,对中国科学院半导体研究所研制的中心波长为1.742μm的DFB激光器进行了温度控制测试。实验证明,该系统的控制精度为±0.05℃,温度控制范围为5～60℃,并在长时间(220min)运行中,DFB激光器工作状态稳定,中心波长未出现漂移,为DFB激光器在红外气体检测领域的实用化提供了性能保障。     

基于光谱吸收和谐波检测的瓦斯浓度测量技术

提出了一种基于瓦斯特征光谱吸收特性和二次谐波检测原理的煤矿瓦斯监测方法,从理论上论证了该方法的可行性,并进行了实验验证.以分布反馈(DFB)激光器做光源,使用正弦信号对激光器输出的激光频率进行调制,激光通过瓦斯密闭气室后,由光电探测器探测,对所得到的信号使用二次谐波技术处理后,得到密闭气室中的瓦斯浓度,结果与实际浓度吻合.最后对影响实验检测分辨率的因素进行了分析.结果表明:该技术实现了完全非接触在线自动检测,能够满足煤矿瓦斯安全检测的要求.     

PID参数整定的半导体激光器温度控制

为了降低环境温度对近红外分布反馈式激光器(DFB)的输出光功率以及中心波长波动的影响,采用PID控制方案设计了一种DFB激光器温度控制系统.PID系统通过硬件电路调整比例(K_p)、积分(K_i)及微分(K_d)参数来寻求动态平衡建立时间和最大振荡幅度的最佳值.结果表明,该温度控制系统的控制精度为±0.05℃,温度控制范围为10~50℃.通过较长时间的监测,DFB激光器的温度始终处于稳定状态,输出的中心波长没有出现漂移,能够满足气体浓度高检测精度的要求.