基于光声光谱法的光纤气体传感器研究

论述了光声光谱信号的产生。提出用光纤相位传感器代替传统的微音器检测光声信号 ,讨论了光纤中光波的相位变化与光声信号的关系。设计了光学长程结构 ,有效增加了对光功率的吸收。用染料激光器作光源对SO2气体浓度进行测量。实验表明 ,最低检测灵敏度可达 1 2× 10 -10 。由于采用光谱技术与光纤技术相结合 ,使研制的传感器具有较高的灵敏度 ,信号的传输通道具有强的抗电磁干扰及防燃防爆能力。气体探头体积小 ,响应速度较快。信号处理电路具有较强的抑制噪声干扰能力。该传感器及其系统在灵敏度、精度、响应时间等性能指标上达到了检测气体含量要求     

吸收光谱学测量甲烷激光器的研究

基于气体在其特征吸收波长下的光的吸收随其浓度变化的机理,通过对甲烷气体吸收光谱的分析,研究了光谱吸收式甲烷气体浓度检测方法.通过波长调制实现气体浓度的谐波检测,利用二次谐波与一次谐波的比值来消除由光源的不稳定和变化所引起的检测误差,并建立了谐波检测的模型,给出了甲烷气体谐波检测方案.     

激光光声光谱法检测磷化氢气体浓度的研究

论述了光声光谱信号的产生。提出用光纤相位传感器代替传统的微音器检测光声信号。用CO_2激光器作光源对磷化氢(PH_3)气体浓度进行测量。实验表明,最低检测灵敏度可达1.2×10~(-10)。信号处理电路具有较强的抑制噪声干扰能力。该传感器及其系统在灵敏度、精度、响应时间等性能指标上达到了检测气体含量要求。     

NH3的腔增强吸收光谱检测技术

为了研究腔增强吸收光谱技术是否能用于NH₃气体浓度的检测,采用扫描腔长的方法,以分布反馈式可调谐半导体激光器作光源,用两块高反射率平凹透镜（反射率约为99.9%,曲率半径约为1m）组成的光学谐振腔作吸收池,搭建腔增强吸收光谱装置。在34cm长的吸收池内测量NH₃气体分子在1.5μm附近的弱吸收谱线;通过不断增加NH₃气体浓度来改变腔内压强,每充入一次NH₃都测量并保存一次吸收光谱。通过数据处理,分析谱线宽度随气体浓度变化的关系以及吸收度随腔内压强增加的变化情况,发现都能呈现出良好的线性关系,并对残差噪声进行统计分析,得到了3.3×10-8cm-1的最小探测灵敏度。结果表明,高探测灵敏度的腔增强吸收光谱技术,可以实现NH₃气体浓度的测量,并能得到较好的探测精度。     

Novel Optical Fiber Gas Sensor for On-line Measurement of Methane

Based on analysis of near infrared spectral absorption of methane,absorption type optical fiber methane gas sensor with high sensitivity using DFB LD as a source is demonstrated. Light source modulation harmonic measurement is presented in this paper. In order to eliminate the noise, the ratio of the fundamental and second-harmonic signals is used. The mathematical model of gas concentration harmonic measurement is built up.The detection result of methane concentration is also shown. Experiments have proved a sensitivity of 28×10~(-6).     

基于宽带光源与相关光谱技术的CH4传感器研究

针对传统光学传感技术气体选择性不高与激光光源在气体检测中需严格控温的缺点,采用红外宽带光源进行CH4气体的检测,并结合实验所用气室与光电探测器件参数,利用HITRAN数据库对CH4吸收进行仿真计算,得出了系统理论探测下限与光强信号之间的变化规律。在不同CH4浓度梯度的实际测量中,采用快速傅里叶变换(FFT)与Savitzky-Golay数字滤波相结合的方法对系统噪声进行处理,将外部因素引起的噪声干扰降低了1个数量级,在不同CH4浓度梯度的实际测量中,利用CH4浓度和光强调制系数的对应关系对系统进行了标定,并通过数据拟合得到CH4浓度的反演曲线,相关系数达到0.998 83,测量灵敏度低至20×10-6,系统检测下限约为50×10-6;与传统化学传感器相比,系统测量误差小于1.5~7.0%,实现了CH4浓度的精确检测。     

基于平均滤波算法的光纤气体传感系统研究

数字平均滤波是信号处理中一种常用的方法。在小信号检测中,使用数字平均滤波可以获得较高的信噪比,提高检测的灵敏度。本文提出了一种利用光学器件来实现数字平均滤波的新方法,应用于基于差分吸收检测原理的窄带扫描光源光纤气体传感系统。系统的输出是一段连续的光谱,包含有被测乙炔气体的多个特征吸收峰。系统使用法珀标准具ETALON和参考光栅提供波长参考,完成对输出信号的光谱重建。对相同波长范围的信号进行平均滤波,使气体的相同特征吸收峰重合,提高检测的灵敏度。利用光谱重建,克服了可调谐Fabry-Perot滤波器驱动电压和透射波长不稳定因素的影响。实验结果表明,本系统可以方便有效地实现光谱意义上的数字平均滤波,检测到较低浓度的乙炔气体,比较适用于工业化气体检测系统。     

锯齿波调制半波扫描技术对甲烷检测系统的性能改进

为了能够在复杂的环境下实现甲烷气体浓度的高精度和高稳定性检测,在基于光谱吸收原理的光纤甲烷检测系统的基础上,提出了利用锯齿波调制的半波扫描技术,较大程度改进了系统的性能指标。采用锯齿波调制光源的方式,同时对光信号进行波长调制和强度调制,实现对甲烷气体的洛伦兹吸收线型扫描。锯齿波调制的方式能够解决信号链路噪声、环境噪声等随机信号对光强造成的干扰,消除光源波长漂移对检测带来的影响,且实现了积分处理,进一步提高检测精度;但由于甲烷吸收光谱的对称性,采用通用的全波扫描方式,气体吸收光强后进行微分处理会出现正弦型曲线,无法准确确定吸收的光强所对应的数字量;而采用半波扫描方式,气体吸收光强后进行微分处理只出现凹型曲线,可以准确确定吸收的光强所对应的数字量。实验结果表明:采用锯齿波调制的半波扫描方式,可以准确测得甲烷气体浓度;测量范围为0%~10%,精度由100 ppm提升到10 ppm（1 ppm=10-6）,稳定性由0.3%提升到0.01%。该系统经过改进后在复杂环境下受温度影响小,精度高,稳定性好,抗干扰能力强。     

基于光谱吸收原理光纤甲烷传感器实验分析与研究

光纤气体传感器是一种新型传感器,从光纤链路损耗实验、光源驱动和锁相放大电路输出波形实验、甲烷气体吸收实验等3个方面对甲烷气体传感器性能进行了分析和测试。实验结果表明基于光谱吸收原理的光纤甲烷传感器系统性能较为稳定,灵敏度较高,测量范围宽,重复性较好,因此该传感器适合于煤矿井下瓦斯检测,满足各种要求。     

基于nA级电流信号的多通道高精度采集系统设计

在大气成份和含量探测的傅里叶变换光谱探测技术中,红外探测器输出的电流信号一般极其微弱。本文针对电流信号频率为kHz级、电流强度在nA级的多元型红外探测器,通过分析系统噪声来源,选取高精度、低噪声的精密集成运算放大器,合理选取电路参数,设计了一种多通道微弱电流信号高精度采集电路。通过对电路性能进行分析,结果表明,该系统可以精确采集到nA级的1 kHz微弱电流信号,系统的噪声低,满足设计要求。     

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。     

基于近红外吸收光谱技术的高精度CO2检测系统的研制

为了准确测量地震断裂带溢出的痕量CO₂气体浓度,文中采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术,选取波数4 978.202 cm-1作为CO₂检测系统的吸收谱线,采用有效光程为40 m的多通池,以STM32作为主控和数据处理核心器件,研制了高精度CO₂检测系统。针对系统中的探测器噪声与光学干涉条纹噪声,利用卡尔曼-小波分析算法滤波提升系统性能。实验表明,与滤波前相比,系统在50 ppmv CO₂浓度下的二次谐波信噪比提升了2.06倍。在不同CO₂浓度下(50、300、1 000、4 000、8 000 ppmv),系统误差为2.57%～2.66%。系统测量4 000 ppmv浓度下的CO2时检测精密度达到20.9 ppmv。利用Allan方差分析得出,积分时间在约61 s时对应的最低探测下限(MDL)为5.2 ppmv,实现了对CO₂气体的高精度测量。结果表明,所设计的高精度CO₂系统可以在气体检测领域为预测地震前兆提供良好前景。     

一种表征EDFA放大宽谱光源的噪声估测方法

光纤放大器作为分布式光纤传感系统实现超长距离、超低损耗传输必不可少的光学器件,其噪声特性对于系统整体性能有着至关重要的影响。微分干涉型分布式光纤传感系统中必须使用宽谱光源,同时探测终端也需采用宽谱探测,因此研究EDFA在宽光谱系统中的噪声对于传感系统整体性能的提升有着重要意义。文中研究了EDFA增益对宽谱光源波长与功率的响应关系,得出了可描述这一关系的增益响应曲线,并依此提出了一种可表征EDFA放大宽谱光源的噪声的估测方法,总结了EDFA放大宽谱光源时的噪声规律。     

红外吸收光谱型城市路网尾气浓度检测传感器

为了能够集中测量城市路网中CO、NO、NO2和SO2的浓度,利用红外吸收光谱原理和谐波调制技术设计了四向气体浓度检测传感器。将宽带光谱LED作为共用光源,穿过四个方向上特定波长的窄带滤光片后,产生与被测气体吸收光谱一致的光束,再穿过改进的Herriott型长光程吸收气室,并在红外探测器上感应出电信号,最后利用设计的正交锁相放大电路测量出二次谐波系数大小,从而计算出被测气体的浓度。实验结果表明:设计的传感器输出的电压与被气体浓度呈正比例线性关系,平均线性度达到了0.997 85,测量误差均小于2%,可为播报环境质量和制定机动车尾气排放标准提供数据支持。     

采用Tm光纤光源的甲烷气体相关光谱检测

报道了以半导体激光器泵浦掺Ｔｍ３＋光纤为光源的甲烷气体相关光谱检测系统，研究了７８８ｎｍ波长泵浦下掺Ｔｍ光纤光源的一些光谱特性，并在实验上用这种光源及系统对甲烷气体作了测量。在５．７ｃｍ长的测量腔下，系统噪声幅度对应的最小气体检测浓度为０．４７％，远低于甲烷气体的爆炸低限（５％），证明了这种光纤光源用于甲烷气体浓度测量的可行性。     

对数变换-波长调制光谱在气体检测中的应用

为了提高痕量气体检测的稳定性并扩大动态范围,引入对数变换方法和差分检测电路,对常规波长调制光谱技术进行了改良。在使用锁相放大器提取与气体吸收相关的谐波信号之前,由自制的接收器完成对数变换和差分检测功能。通过对数变换,使激光强度调制与气体吸收引起的光功率衰减量实现了分离,再利用差分检测消除前者。受益于此双管齐下的策略,理论上可以捕捉吸收光谱的任意阶谐波分量,并且免受剩余幅度调制和谐波畸变的影响。为了验证理论,对NH3的P（6）吸收谱线的二次谐波进行了采集。在296 K的环境温度、1.01105 Pa的总压力和24.5 cm的有效光程下,假设信噪比降低为1时推导得到的理论检测下限为0.7 ppm（1 ppm=10-6）。以上结果表明该方案是痕量气体检测应用的一种理想选择。     

逐线积分气体吸收模型及其在FTIR气体检测中的应用

介绍了一种精确的逐线积分痕量气体吸收模型,该模型适用于中红外波段大气环境中痕量气体和污染气体检测的理论研究和工程应用。该模型利用HITRAN光谱数据库,考虑了展宽、线翼截断、温度修正及光谱分辨率变化等情况,可以有效地模拟大气环境中多种气体的红外吸收特征。文中详细描述了模型的算法细节,并给出了模型计算的结果与傅里叶变换光谱仪(FTIR)实测数据的对比,还举例介绍了吸收模型在FTIR气体探测技术中的实际应用,并使用该模型对测量的红外傅里叶变换光谱进行了定量分析,模拟了计算校准谱,并与实测光谱进行了非线性最小二乘拟合,实现了在无需测量校准气体的情况下同时对多种气体进行浓度的反演。     

激光吸收光谱自适应滤波处理算法研究

研究了激光吸收光谱自适应滤波处理算法,提出了一种改进的激光吸收光谱测量系统方案,激光器发射的激光经分束器分成三路,分别构成测量通道、定标通道和参考通道,数据采集电路同步获取三个通道信号数据,定标通道数据用于波长锁定和浓度定标,参考通道信号数据包含了与测量通道相关的噪声,以此为基础构建了自适应噪声抵消器,降低了噪声对测量通道的影响,提高了气体浓度反演的精度。     

光纤气体传感系统背景噪声的滤除

在光纤气体传感系统中,为提高检测的灵敏度,需要采取措施抑制系统的各类噪声。通过设计低噪声的前置放大器和光源驱动电路可有效地降低系统的噪声;但对于因光路变化和光在传输过程中偏振态发生变化引起的背景噪声的处理一直是光纤气体传感系统测量灵敏度提高的难点。提出一种基于最小二乘拟合的背景噪声滤除算法。利用参考光栅和法布里-珀罗标准具实现对输出信号的光谱重建。在此基础上,利用气体特征吸收峰两边的输出拟合整个输出曲线。将系统的输出与拟合曲线相除,实现系统输出的归一化,有效地滤除了系统的背景噪声,避免了当传感系统背景噪声发生变化时,需要重新采集背景气的繁琐工作,为测量带来方便。     

光纤甲烷气体传感器的研究

基于甲烷气体近红外吸收的机理,研究了一种高灵敏度易于实现的光纤甲烷气体传感器。分析了半导体激光器的调制特性和谐波检测的基本原理,建立了传感器的数学模型。系统采用分布反馈式半导体激光器做光源,气室采用小型渐变折射率透镜构成的气室,加入参考光路和参考气室,使光源输出的中心波长锁定在气体的吸收峰上,通过光源调制实现气体浓度的谐波检测,给出了甲烷气体测量的实验结果。