可调谐激光气体水分传感器设计

针对低露点水分测量过程,特别是进行-80～-60℃范围露点测量时,缺少精度高、速度快、稳定性好、成本低的解决方案的问题,设计并实现了一种基于可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)的气体水分传感器。该传感器采用1 392 nm可调谐分布式反馈(Distributed Feedbake, DFB)激光器,结合特殊设计的赫里奥特池,在吸收池体积为30 mL的情况下,光程达到了1.5 m。测量过程克服了空气背景干扰、管壁吸附等问题,实现了0.5～2 000μmol/mol的微量水检测,通过分段检测、多点标定的方式,保证了较宽量程范围内的测量准确度。采用氮气作为背景气进行试验,试验结果按露点温度计算,误差优于±0.32℃。该传感器测量重复性符合二级精密露点仪要求,可用于氮气和空气中的水分测量。     

氧气浓度和温度检测系统研究

针对现有煤矿火灾探测技术存在的响应时间长、精度低、可靠性差等问题,基于可调谐激光光谱吸收检测技术,设计了一套氧气浓度和温度检测系统,并在实验室环境下对该系统进行了测试,结果表明,在0~100.0%氧气浓度范围内,系统测量误差小于1%;在253~1 000K气体温度范围内,系统测量误差小于2%。     

车载激光甲烷遥测系统的设计

为了解决传统燃气巡检设备检测效率低、检测距离近的问题,文章结合可调谐激光吸收光谱技术和地物的后向散射特性, 设计了一套车载激光甲烷遥测系统,并进行了模拟测试。测试表明,该系统对甲烷气体的最低检测限为5 umol/mol,可探测距离150米,体积分数为0.1%的甲烷气体泄漏,并能在车速为50km/h行驶时,检测到燃气泄漏点,检测距离远、响应速度快、灵敏度高、抗干扰能力强,很好的满足实际探测需要。通过燃气公司实际应用表明,该系统极大地提高了燃气巡检效率,减少燃气巡检周期,非常适合长输管线的快速巡检,实用性强。     

分布式多点激光甲烷检测系统研究

针对传统甲烷检测系统存在的易受环境影响、检测精度低、稳定性差等问题,基于可调谐半导体激光吸收光谱技术和空分复用技术,设计了一种分布式多点激光甲烷检测系统。该系统采用波长1 653.7nm的分布式反馈半导体激光器作为光源;利用谐波检测法得到二次谐波和一次谐波信号幅值比来反演甲烷浓度;采用1分8光分束器,并结合参考气室实现多个测点甲烷浓度的实时检测。在实验室环境下对该系统进行了测试,结果表明该系统测量准确性高、稳定性好,可实现10km范围内测点的有效覆盖,在2.00%~85.0%甲烷浓度范围内,系统测量误差小于2%。     

高功率窄线宽可调谐 1 064 nm 环形腔激光

文章采用了三镜环形腔内插入标准具获取高功率窄线宽可调谐1064 nm 激光。对环形腔的单向运行、标准具压窄线宽与调谐波长及激光大基模体积运转进行了理论分析与计算,结合实验优化了腔镜曲率与输出耦合率。在808 nm 半导体激光泵浦功率151 W 条件下,获得输出功率33.7 W、光束质量因子 M 2＝1.28、线宽0.1 GHz 的单向1064 nm 激光输出,相应的光转换效率22.3%。采用高精度控温仪对标准具进行精确温控,实现激光波长的精密调谐。改变标准具温度获得1064 nm 波长调谐范围72.6 GHz,调谐精度为220 MHz。波长调谐过程中1064 nm 激光输出功率变化约10%。整个系统稳定可靠,而且相对简单,较易实现,为获得可调谐窄线宽1064 nm 激光提供了实用有效的技术手段。     

基于TDLAS的汽车尾气测量系统

设计和构建了一个基于近红外可调谐激光二极管吸收光谱学技术的汽车尾气测量系统。在1583.69nm波段附近测量CO和CO2的吸收光谱,获得CO、CO2的动态浓度用于汽车尾气控制研究。描述了相关的电子系统和光路系统,特别对开放光路气室和自平衡光电接收器作了详细分析。还设计了基于DSP的数字FIR滤波器和数字锁定放大器以降低系统的白噪音和获得更高的灵敏度。     

基于中红外光谱技术的非接触式气体识别电子鼻系统

为了对混合气体进行非接触式识别,基于可调谐二极管激光吸收光谱与波长调制光谱(TDLAS—WMS)技术,采用激射波长为中红外的可调谐分布反馈式量子级联激光器(DFB—QCL),设计并研制了可对被测混合气体进行实时、非接触识别的电子鼻系统。该系统采用主成分分析(PCA)和反向传播(BP)混合神经网络模式,通过LabVIEW对气体"指纹信息"数据库进行分析。实验结果表明:该系统可以区分成分为一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、二氧化氮(NO2)和乙烯(C2H4)的混合气体,为混合气体非接触式识别提供了一种便利方法。     

基于波矢可调谐对称结构的条波导型SPR传感系统研究

针对目前波导型SPR传感器波矢匹配条件受限及较难与光纤实现固化对接进而实现在线传感的缺点,研究由条波导激励对称结构的SPR传感系统。通过对由金属——介质——金属构成的对称结构进行模式分析,研究可在该结构内激发SPW的可能性及其波矢可调谐机制。实验制备单模条波导并激励对称传感结构,对比了条波导激励传统结构与对称结构的检测折射率范围,研究了对称结构中金属材质,金属膜厚及介质厚度对测量结果的影响,给出了折射率测量的结果,实验证明,采用对称结构实现传感,可通过镀金属膜的厚度来改善传感特性,调节两金属膜之间介质的厚度可以实现波矢匹配的调节,进而使得被测范围具有一定的可调性,具有较好的线性。     

基于可调谐窄带扫描法FBG波长移位检测系统

介绍了一种采用程控可调谐窄带激光器波长扫描法光纤Bragg光栅(FBG)波长移位检测系统.该系统采用了虚拟仪器工作平台(LabVIEW),可以快速、智能化地实现了FBG波长移位检测.实验结果表明:该系统的波长检测灵敏度为0.009 65nm/℃,温度检测分辨力为0.2℃,相应的波长分辨力为2pm.波长检测范围不受系统限制,一般可达30nm以上.     

基于TDLAS的CO和CO2便携式遥测仪设计

本文介绍一基于TDLAS技术的便携式CO和CO2遥测仪的设计.对该遥测仪的工作原理,系统设计与嵌入式软硬件实现作了较详细的分析.利用地面等作反射物获取数据,以及波谱调频二次谐波检测技术达到高速高精度的检测.     

吸收式光纤气体传感器的研究

提出了一种通过波长扫描来检测C2H4 和H2S混合气体的体积分数的新方法。采用超发光二极管作为光源, 2个检测通道共用 1根光纤,通过光源调制实现气体的体积分数的谐波检测技术。该系统最小可探测气体的体积分数约为 10-4, 移植性好,对大多数气体均适用。     

基于可调F-P腔的光纤气体传感器研究

设计了一种基于可调法布里—珀罗(F-P)腔的气体体积分数测量方案:引入标准光栅作为参考,解决了F-P腔选频特性受温度影响的难题;利用谐波检测的方法提高了测量的灵敏度;可以用于多种气体体积分数的检测;最后,利用乙炔气体进行了实验验证,取得了较好的效果。     

深海甲烷激光拉曼光谱原位探测器的研究

为了对深海痕量甲烷进行原位实时检测,研制出一种甲烷激光拉曼光谱探测器。介绍了拉曼散射的量子机理和拉曼光谱的特性,对合成甲烷水体进行了拉曼光谱测试,确定了水中甲烷的拉曼振动光谱范围在2 904~2 917 cm-1之间,且水分子的振动谱峰与甲烷的振动谱峰不重叠。利用这一特点可以设计甲烷激光拉曼光谱探测器,能原位、快速地分析和检测出海水中痕量甲烷组分,并通过耐压光纤将检测数据进行实时的远程传输,具有高灵敏度,适应4 000m深海高压低温环境作业的特点。     

煤矿瓦斯气体的光声光谱检测研究

煤矿瓦斯(CH4)是一种可用于诊断煤矿安全生产的特征气体。光声光谱技术是一种新型的气体检测技术,具有选择性好、灵敏度高、动态监测范围大、不消耗被测气体等优点,能很好地应用到CH4气体的在线监测。基于光声光谱技术的基本原理,利用分布反馈半导体激光器构建一种用以检测CH4的光声光谱装置,利用该装置研究了气体光声信号与CH4浓度、温度、斩波频率、激光功率、背景气体、以及压强之间的关系,并测得甲烷在2ν3带的R(3)支的光声光谱。     

光谱吸收型光纤气体传感器的研究

研究和讨论了一种易于实现的光谱吸收型光纤气体传感器.采用LED作为光源,利用可调谐法布里-珀罗腔的选频特性进行检波,并采用谐波检测,显著提高了检测的灵敏度.同时,采用多光路设计和软件控制相结合,可在线检测多种气体,克服了以往气体传感器只能检测一种气体的缺点,大大增加了该传感器的适用性.     

采用热导传感器检测气体浓度的新方法研究

为了克服传统热导传感器气体检测方法的诸多缺陷,提出了一种使传感器保持在恒温状态的气体浓度检测的新方法.介绍了该方法的检测原理,并根据传热学理论证明了该方法的可行性.理论与实践表明,该方法具有许多传统检测方法所不具备的突出优点,具有良好的应用前景.     

基于TDC的激光测距传感器飞行时间测量研究

激光测距传感器是通过测量传感器与目标之间激光脉冲往返飞行时间来获取待测距离值的,因此激光飞行时间的测量精度是衡量传感器性能的根本指标.采用一种专用的时间数字转换芯片TDC-GP2设计了高精度时间间隔测量模块,介绍了TDC-GP2的测时原理,给出了软硬件的实现方法.实验结果表明:该模块测量频率快,单脉冲测量精度可达100...     

基于FPGA的可调谐激光器控制电路设计

可调谐激光器是光纤光栅解调系统中最主要的部件之一,其输出波长和功率的稳定性影响整个解调系统的性能;文中对MG-Y可调谐激光器的调谐原理进行了分析,设计了一种基于FPGA的可调谐激光器控制电路;使用温度控制芯片ADN8834对MG-Y激光器进行温度控制,通过改变电流源的输出电流,控制激光器的输出波长;利用光谱分析仪采集激光器的输出波长,并对激光器的输出波长进行标定,制作“波长-电流”查询表;FPGA通过调用“波长-电流”查询表,实现激光器的波长在1527~1567 nm范围内以20 pm间隔连续线性扫描。同时搭建光纤布拉格光栅解调系统,验证了可调谐激光器解调光纤光栅中心波长的可行性。     

差分吸收式光纤气体传感器的研究

研究和讨论了一种易于实现的光谱吸收型光纤气体传感器。采用分布反馈式半导体激光器作为光源,通过光源调制实现气体体积分数的谐波检测,显著提高了检测的灵敏度。同时,采用差分结构,消除了激光器光强波动等共模噪声的影响。