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.     

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。     

可调谐二极管激光吸收光谱技术及其在大气质量监测中的应用

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是利用二极管激光器的波长调谐特性,获得被选定的待测气体特征吸收线的吸收光谱,从而对污染气体进行定性或者定量分析.在大气痕量气体和气体泄漏的监测中,为了提高探测的灵敏度,一般会根据具体情况对激光器采取不同的调制技术如波长调制、振幅调制、频率或者位相调制等,同时和长光程吸收池相结合使用,并辅之以各种噪声压缩技术.TDLAS不仅精度较高,选择性强而且响应速度快,已经广泛用于大气中多种痕量气体的检测以及地面的痕量气体和气体泄漏的检测.报道了最近研制的一套可调谐二极管激光吸收光谱检测大气中甲烷浓度的实验装置,这套装置具有灵敏度高、检测限低(ppb量级)、易于集成为便携式痕量气体检测仪等优点,若激光器的调谐波长范围能覆盖1.3～1.8 μm或者在光路中装配几台窄范围可调谐激光器实现波长扫描范围覆盖1.3～1.8μm,则可同时实现对大气中诸多重要痕量气体如CO2、CH4、CO、CH2O、H2S、NH3、HCI、C2H2等的同步监测.     

可调谐二极管激光吸收光谱技术在探测灵敏度上的探讨

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是利用二极管激光器波长调谐特性,获得被测气体在特征吸收光谱范围内的吸收光谱,从而对污染气体进行定性或定量的分析的一种技术方法.在对痕量气体的监测时一般会采取一定的措施去克服直接吸收型气体传感器的缺陷,提高检测精度.文中概述了TDLAS技术的研究现状,针对近年来国内外出现的基于可调谐二极管激光吸收光谱技术在减小系统干扰,提高探测灵敏度的技术措施,从系统结构处理,调制解调技术,检测装置的处理,检测信号的处理等多个方面作了深入的研讨.     

基于波长调制光谱技术的二氧化碳浓度测量

以可调谐激光二极管吸收光谱技术为基础,结合波长调制光谱技术,对不同体积浓度的二氧化碳气体进行检测。分别分析正弦波调制信号的不同调制电压及调制频率对二次谐波信号波形及峰值的影响。结果显示当调制电压为0.25 V、调制频率为10 kHz时,得到的二次谐波信号较好。在此基础上,利用实验室中搭建的单光路测量系统对不同浓度的CO2气体进行检测,得到气体浓度与二次谐波峰值线性相关系数为0.998,系统的检测极限为450 ppm。研究为该类系统调制系数的选择提供了实验依据,为工业应用打下了基础。     

基于FPGA的DFB激光器驱动电路的设计与仿真

为了提高DFB激光器驱动电路的可靠性和稳定性,设计了一款基于波长调制光谱技术的DFB激光器驱动电路。压控恒流源电路能够完成对激光器的恒流驱动以及其波长的粗调。利用FPGA生成直接频率合成器产生幅值为5V,频率为20kHz的正弦信号和频率为20Hz的三角信号,其可以对激光器的波长进行调制和扫描,进而实现对激光器的波长进行精确调谐。然后利用QuartusII软件对激光器的驱动电路进行了仿真。最后,对激光器驱动电路进行了模拟实验,结果表明输出电流与输入电压成线性关系,输出的电流与负载无关,达到了预期的设计目标。     

基于TDLAS的气体检测技术算法

可调谐二极管激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS）技术是一种具有高灵敏度、高分辨率的气体吸收光谱检测技术,具有响应快、精度高、单模特性优秀、通用性强等优势。TDLAS直接吸收法通过测量绝对吸收强度来计算待测气体温度和浓度,但容易受到颗粒物浓度、激光强度波动等影响。TDLAS波长调制法采用高频正弦信号对激光器进行调制,使得激光输出频率和强度同时受到调制,具有高信噪比和灵敏度的特点,但是需要通过标定实验或复杂的算法来确定气体参数。因此,通过吸收光谱理论和波长调制理论,推导出蕴含分子吸收信息的谐波通项表达式,并在此基础上分析谐波信号与待测气体绝对吸收强度之间的关系,建立了一种基于谐波信号的绝对吸收强度测量算法。以NH3分子在1 531 nm附近的谱线为例进行数值分析,发现调制幅度达到a=0.032 cm-1（调制系数m=2）时,仿真结果与理论计算结果（a=0）相对误差不超过2%,进一步验证了算法的可靠性与准确性。     

基于波长调制技术的近红外甲烷检测仪

为了在煤矿环境中实时检测甲烷(CH4),利用中心波长为1.654μm的分布反馈(DFB)激光器,基于可调谐激光二极管吸收光谱法(TDLAS),实验报道了一种近红外(NIR)CH4检测仪。为了驱动DFB激光器并从差分信号中提取二次谐波信号,自主设计了激光器智能温度控制器、激光器扫描和驱动电路以及高性价比的锁相放大器,对各模块的性能做了测试和表征。利用各光学模块和电学模块,对系统进行了集成;为了得到其检测性能,开展了详细的CH4检测实验。结果显示,在0~100%的浓度范围内,相对测量误差小于7%,最小检测下限(MDL)为1.1×10-5。对两种标准浓度气体样品(浓度为1×10-3和2×10-1)的24h浓度测量结果表明,检测仪具有较好的稳定度,两组测量结果较真值的波动范围分别小于7.0%和2.5%。利用相似的检测机理和相同的硬件系统,通过更换其他波长的激光器,本文检测仪也可实现对其它气体的检测。     

可调谐激光吸收光谱技术监测燃烧中CO检测方法比较

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是利用二极管激光器的波长调谐特性,获得被选定的待测气体特征吸收谱线的吸收光谱,从而对待测气体进行定性或定量分析.TDLAS技术与开放式的多次反射池相结合,分别利用二次谐波探测方法和自平衡加波长调制的新型检测方法,测量了酒精喷灯火焰的CO浓度.测量结果表明,自平衡加波长调制的新型检测方法与二次谐波检测方法相比,不仅使检测限提高了16.3倍,还有效地消除了激光器、火焰的光强波动影响,可以应用在燃烧控制及喷焰气体CO浓度测量等多个领域.     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的CO检测仪设计

为了能够实时检测出矿井下一氧化碳(CO)浓度,减少煤矿中毒事件,设计了采用可调谐半导体激光器的CO检测仪。采用波长调制光谱(WMS)与可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)相结合的气体检测技术,将检测信号从低频区域搬到高频区域,然后采用相关技术完成谐波信号的提取,从而检测出CO浓度。实验结果表明,检测下限达到12ppm,能够检测矿井下CO浓度。     

乙炔气体浓度的TDLAS在线监测

介绍了利用可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术实现乙炔浓度在线监测的研究。该系统通过复合调制信号调制近红外分布反馈式二极管激光器（DFB LD）作为光源,光纤耦合器将激光分为两束,分别通过0.5 m封闭短光程气体吸收池和参考光路,双路接收采集含有气体浓度信息的测量光信号和参考光信号送后级处理,应用快速傅里叶变换（FFT）得到含有气体浓度信号的各次谐波检测分量,实现乙炔浓度信息反演,其中多次平均、数字滤波及背景扣除等数字信号处理技术被用于提高系统信噪比。通过理论分析和试验系统实验证明,该系统在软、硬件上的设计可以满足乙炔气体的在线监测,且系统体积小,光路调试和标定简单,便于实际应用。     

基于EMD的中红外TDLAS检测低浓度NO优化方法研究

为了实现低浓度NO的高灵敏检测,选用中心波长位于5.18μm的量子级联激光器(QCL)和光程为25 cm的单光程气体池,设计并搭建了NO的可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)检测系统.为降低系统噪声的影响,以提高NO的检测灵敏度,并降低检测下限,研究了对波长调制光谱(WMS)的二次谐波(2 f)信号进行滤波降噪的经验...     

光纤甲烷温度双参数检测系统的研究

温度影响可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)式气体监测的准确性,研究了一种甲烷、温度同时检测的系统,两种参数互相校正,提高了气体监测的准确性,同时也提高了温度的检测精度。系统采用1653.7 nm中心波长的分布反馈(DFB)半导体激光器,采用锯齿波调制激光器使其波长扫描,同时扫描出光纤布拉格光栅(FBG)波长以及气体吸收强度,从而可以测出温度和甲烷两个检测量。温度检测可以校正由于温度变化引起的气体检测误差,同时,气体吸收线位置又可以为FBG进行准确的波长定位,使得温度检测精度更高。这种温度、甲烷双参数检测系统更加稳定可靠,更适合应用于煤矿开采和瓦斯抽采等领域。     

调谐二极管激光吸收光谱技术中的线形误差与校正

在调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术中,谱线线形的检测精度受激光器调谐非线性和调制幅度的影响,本文针对近红外分布反馈(DFB)激光器,通过激光器的调谐特性曲线定量分析了调谐非线性和调制幅度对吸收线形的影响,提出了调谐非线性校正和调制幅度补偿方法,并通过实验验证了方法的有效性.实验结果表明,调谐非线性校正可以提高谱...     

基于跨波长调制和直接吸收光谱的宽量程多气体检测方法

针对可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)在煤矿、石油化工领域进行气体浓度检测时,遇到的高精度、宽动态范围需求,采用时分复用的方法,将直接吸收光谱技术(Direct Absorption Spectroscopy,DAS)和波长调制光谱(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)技术的优势相结合,完成了高精度、宽量程和免标定多气体检测系统的设计。设计激光器的驱动为线性扫描输出和叠加不同高频调制扫描输出的周期信号,用于完成高低浓度反演算法的时分复用计算,通过实验优化选择检测气体的吸光度拐点,实现对气体浓度的高精度、宽量程检测。在室温和常压下,通过实验分别对CH₄、CO和C₂H₂三种气体体积浓度进行检测,确定了两种算法最佳拐点吸光度约为0.026 cm^-1。系统对CH₄、CO和C₂H₂三种气体体积浓度的检测量程分...     

采用VCSEL激光光源的TDLAS甲烷检测系统的研制

相比于使用DFB边发射激光器,采用VCSEL激光器作为检测光源的TDLAS激光气体检测系统,具有功耗低的优点。针对低功率下的TDLAS气体检测信号特点,结合VCSEL激光光源调制特性,自主开发了VCSEL激光器驱动模块、信号采集及处理模块,采用波长调制光谱(WMS)技术研制出了一套低功率甲烷(CH4)气体检测系统。选择了1653.7 nm附近CH4分子的吸收峰作为吸收谱线,采用锁相放大器提取二次谐波(2f)信号。实验研究了不同浓度的CH4检测的响应情况,记录2f信号的峰峰值并进行线性拟合,线性度为0.999 8。该检测系统在50~500 ppmv范围内,检测精度优于10%,检测下限为10 ppmv。对250 ppmv的CH4持续检测10 h,数值波动小于±2.4%。引入Allan偏差分析,初始积分时间为1 s时,Allan偏差为9.9 ppmv;积分时间达到359 s时,Allan偏差为0.06 ppmv,表征了系统良好的稳定度。     

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。     

基于可调谐半导体激光器的甲烷气体监测技术

介绍了一种利用分布反馈(DFB)可调谐半导体激光器吸收光谱技术(TDLAS)实现甲烷气体浓度监测系统。不同于直接测量气体吸收前后光源强度的变化值,TDLAS通过提取二次谐波幅值信息,在频域换算气体浓度,因此具有更高的稳定性和精确度。同时对不同输出特性的DFB半导体激光器进行对比研究,分析光源的波长调谐特性及功率-电流特性对实际应用的影响。     

单通带微波光子滤波器泵浦响应性能研究

基于受激布里渊散射效应和相位调制技术,实现了可调谐单通带微波光子滤波.单泵浦信号时,滤波器的频率调谐范围为0.5GHz~18.3GHz.采用一个激光器,通过外加在强度调制器上的微波信号强度调制得到泵浦信号时,滤波系统的稳定性优于两个激光器分别作光载波和泵浦信号的系统.当采用频率间隔为布里渊频移两倍的双泵浦信号时,滤波器的频率调谐范围为0.9GHz~31.3GHz.     

基于分布反馈激光器双波长调制的微量气体测量方法北大核心CSCD

在光声光谱测量中,常用光学斩波器对光源输出信号进行频率调制,但光学斩波器的使用会不可避免地增加系统噪声及系统成本。基于分布反馈激光器的可调谐特性,提出激光器双波长调制方法。利用光声光谱实验平台,结合光学斩波器调制激光系统进行检测甲烷气体灵敏度的实验。结果表明,光学斩波器对甲烷气体的检测灵敏度为52.3×10-6,而双波长调制激光系统的检测灵敏度可达40.2×10-6,该调制方法避免了光学斩波器的使用,减小了系统噪声,提高了系统灵敏度。