基于红外检测的甲烷传感器中光谱吸收理论的研究

分子光谱理论是光谱吸收式光纤气体传感器的理论基础,对于光纤红外法检测有毒气体的浓度具有重要意义。根据朗伯-比尔(Beer-Lambert)理论,首先从甲烷(CH4)气体浓度的定量分析以及分子参数的理论进行研究,再通过分析CH4气体的吸收线得出其吸收系数α(v)的一般方法。由分析得当气体压强P<0.02 atm时多普勒展宽占优势,用高斯线型拟合吸收线;当P>0.l atm时碰撞展宽占优势,用洛仑兹线型拟合吸收线;当0.02 atm相似文献   

气体红外吸收特性受压强与温度的影响分析

气体的红外吸收特性是利用红外光学方法对气体进行定性定量分析的重要依据.吸收谱线的峰值吸收系数与全线宽是描述气体红外吸收特性的两个重要参量,参考HITRAN2004数据库,以乙炔在近红外的一段红外光谱为研究对象,对压强与温度对峰值吸收系数与全线宽的影响规律进行了研究,结果表明:当压强大于0.1MPa时,峰值吸收系数与全线...     

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。     

傅里叶红外系统监测大气中温室气体的污染特征

研制了一套90 m的开放光路傅里叶变换红外光谱(OP-FTIR)温室气体分析测量设备，并利用该设备开展了CO₂、CH₄和CO质量浓度的高精度检测。OP-FTIR系统反演CO₂、CH₄和CO的光谱区域分别为2102～2250 cm^-1、2920～3140 cm^-1和2172～2210 cm^-1。以采集到的中红外吸收光谱为反演基准，开展了与Picarro温室气体分析仪的对比测试。选取测量期间10 d的数据，研究了温湿度、风向风速与环境大气中CO₂、CH₄和CO质量浓度的关联度，并详细分析了污染物的日变化特征。实验结果表明：研制的OP-FTIR光谱系统监测温室气体质量浓度具有较高的可靠性；温度、相对湿度、风速和风向对当地污染物质量浓度影响显著；CO₂、CH₄和CO质量浓度的时序变化具有明显的周期性变化趋势。将CO、CH₄质量浓度分别...     

基于TDLAS测量HBr化学激光器气体温度

利用可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）,基于吸收光谱的多普勒展宽原理,对D2/NF3燃烧驱动的HBr化学激光器,进行了光腔和扩压段的气体温度测量实验研究。为了有效地测量TDLAS吸收光谱,选用了主气流中吸收系数较大的HF分子（2-0）振动谱带的R2谱线作为研究对象。实验中利用一台中心波长1 273 nm的分布反馈式（DFB）二极管激光器,搭建了一套基于直接吸收法TDLAS的HBr化学激光器气体温度测量系统。通过对HF分子的吸收谱线进行Voigt线型拟合,获得了多普勒展宽宽度,从而给出了光腔和扩压段气体温度。在进行时域频域变换时,使用了一台自由光谱范围（FSR）为1.5 GHz的F-P标准具用于频率校准。实验测量结果表明,光腔温度约为280 K,扩压段温度约为400 K。实验过程中的碰撞展宽和多普勒展宽的比值小于0.1,表明多普勒展宽为主,能够方便地用HF吸收光谱的展宽来监测光腔和扩压段的气体温度。     

基于OP-FTIR法监测城市交通排放CO、CO2、N2O和CH4气体

介绍了在傅里叶变换红外光谱( FTIR)技术基础上发展起来的一种监测气体的新方法——开放光程傅里叶变换红外光谱( OP-FTIR)法和基于非线性最小二乘法反演气体浓度的算法.利用OP-FTIR系统对广州交通排放CO、CO2、N2O和CH4气体进行了连续监测,并对实验结果进行了分析.实验表明:广州交通排放CO、CO2、N...     

基于短波红外波段吸收的CO2垂直柱浓度地基遥测反演方法研究

温室气体引起的全球变暖、气候变化等问题已成为国际关注的热点,其中CO2是重要的温室气体之一,CO2的监测与控制已经成为各国关注的重点。结合CO2在1.6 μm处的光谱吸收结构,利用加权函数修正的差分吸收光谱技术（weighted function modified difference absorption spectroscopy, WFM-DOAS）研究大气中CO2垂直柱浓度的反演方法。利用大气辐射传输模型仿真研究了不同参数对加权函数（weighted function, WF）计算灵敏度的影响,分别对观测高度、太阳天顶角、太阳方位角、地表反照率、光谱分辨率等参数对CO2 WF系数的影响进行了详细的计算分析。并以一整天测量的太阳光为例,对仪器的性能、CO2的垂直柱浓度及干扰气体CH4及H2O的垂直柱浓度进行了分析,初步分析得到的反演误差优于1%。     

火箭尾喷焰红外辐射特性的理论计算

尾喷焰是一种高温高压气体,向空间辐射较强的热辐射能,对飞行器的隐身性能有重要影响。为计算尾喷焰的红外辐射特性,首先基于Navier?鄄Stokes方程和其他控制方程,在对流场进行划分处理的情况下得到了整个流场的特性分布,包括温度、压力和各气体组分参量等。在此基础上,考虑谱线的碰撞展宽效应和多普勒展宽效应,计算了尾喷焰中包含各气体的谱带模型参数,如吸收系数、谱线间隔密度和谱线半宽等。最后,利用非均匀气体的Curtis?鄄Godson近似,仿真计算了某火箭尾喷焰在2~5 m谱段的红外辐射光谱强度,仿真结果验证了所用方法的正确性。     

红外高光谱探测CO_2柱总量的敏感性分析

利用辐射传输模型MODTRAN5模拟计算了红外高光谱仪在光谱分辨率、光谱定标精度、地面反射率、大气廓线以及辐射分辨率对CO_2气体含量探测敏感性的影响,同时定义探测辐亮度随气体含量改变的变化量指标S值,并对探测灵敏度、光谱分辨率和信噪比SNR的关系进行了综合分析。为我国红外高光谱大气探测仪的设计以及高光谱大气成分反演研究的开展提供重要的科学依据。对CO_2柱总量反演通道的选择和实现CO_2气体探测敏感参数分析具有重要的参考价值。     

硅中碳含量的低温红外光谱测量和碳带的温度特性

本文报告了硅单晶中替位碳红外吸收带温度特性和光谱分辨率对碳带特征参数影响的研究结果.在 80～310K温度范围,碳带半宽度随测量温度降低而线性减小,吸收系数和峰位分别随温度下降而线性增加和有规律地向高频方向移动;液氮温度时碳带吸收系数较室温增加一倍;低于液氮温度时碳带特征参数不随测量温度而变.不同光谱分辨率(1-4cm~(-1))测量结果表明:碳带吸收系数和半宽度分别随光谱分辨率提高增加和减小.室温和液氮温度碳含量的定量测量,光谱分辨率分别以2cm~(-1)和1cm~(-1)为宜.     

基于红外TDLAS技术的高精度CO2同位素检测系统的研制

对天然气分布监测,高精度地检测CO₂同位素是非常重要的。采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术,通过13CO₂/12CO₂在4.3 μm处的吸收谱线,实现高精度CO₂同位素检测。该检测系统由工作在连续波模式下的中红外间带级联激光器(ICL)、长光程多通池(MPGC)和中红外碲镉汞(MCT)探测器组成。针对13CO₂和12CO₂两条吸收谱线强度受温度影响的问题,研制了MPGC高精度温度控制系统。实验中,配置5种不同浓度的CO₂气体对检测系统进行标定,响应线性度可达0.999 6。结果表明,当积分时间为92 s时,同位素检测精度低至0.013 9‰,具备实际应用价值。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱对CO2浓度的测量

CO₂作为大气中主要的温室气体,其全球变暖影响比例因素为60%,对全球生态系统和社会发展带来严重影响,因此开展CO₂的监测非常必要。基于可调谐半导体激光吸收光谱原理,在室温下通过扫描DFB激光器波长,得到CO₂位于2004 nm的直接吸收光谱,根据Beer-Lambert定律,反演出CO₂浓度。为了验证实验的精度,同时与基于非分散红外原理的生态通量的标准仪器作对比,结果显示两者的测量精确度相当,可以达到0.2 ppm。这些研究为今后的仪器小型化和外场CO₂长时间监测提供了基础。     

农田开放环境下CO2浓度的激光在线监测

含碳温室气体浓度增加而加剧的温室效应是气候变化的主要原因。在线监测陆地生态系统中的CO2气体浓度并分析CO2通量,对了解局地气候及改善环境意义重大。设计了基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的开放式CO2气体监测系统,于2010年4月在中国科学院封丘农业生态实验站进行了小麦田间CO2浓度的实时在线监测。连续监测结果表明：主要受植被光合作用的影响,田间CO2浓度具有明显的日变化规律,基本特点是白天浓度降低,夜间浓度升高。系统不需要气体采样、监测范围广、灵敏度高、响应时间快、调校简单,为农田环境的CO2浓度连续监测提供了有效的光学遥测方法。     

国产傅立叶变换红外光谱温室气体在线监测仪及其在大气本底监测中的初步应用

大气温室气体的监测,是掌握温室气体浓度时空变化特征及其影响因素依据。而大气本底监测反映了较大范围内,因人类活动而造成的大气成份长期变化,是温室气体监测的基础数据。大气本底站附近温室气体浓度相对较低,年变化范围小,从而对温室气体连续监测技术精度与稳定性提出了更高的要求。本文基于傅立叶红外技术与WHITE型多次反射池技术方法,研究大气本底温室气体CO2、CH4、N2O超低浓度检测系统。针对CO2、CH4、N2O的分子吸收光谱特征,采用碳化硅作为光源,将测量波段选择在1900-2600区间;采用模拟仿真,模拟不同透过系数和多种气体混合干扰状态下的仪器理论测量精度,根据验证结果,傅里叶红外仪器在CO2、CH4、N2O测量方面表现良好,满足超低浓度温室气体的监测需求。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术对开放式长光程大气CO2的测量

CO2是地球大气中第三大含量的痕量气体,对温室效应影响最大,主要来源于人类的日常活动,测量大气CO2浓度对了解地区CO2的周期性变化与气候变化的内在规律有重要意义。基于可调谐半导体激光吸收光谱（tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS）技术,系统选择CO2在2004 nm附近的吸收线,采用直接吸收光谱处理方法,对开放式长光程大气下的CO2进行了连续测量。通过与手持CO2测量仪的对比测量,二者的相关系数达到0.8371,二者的标准偏差为7.204 ppm,测量结果的变化趋势符合较好,证明了实验系统的可行性,为国内激光遥测CO2提供了一种重要的思路与方法。     

QCLAS在JLMPGF6.5发动机CO体积分数测量中的应用

为了精确测量吸收光谱，并尽量减小温度与湍流波动对光谱测量结果的影响，采用谱线模拟仿真模拟和20kHz高频扫描的方法，选取中红外基频跃迁带内低温度敏感性谱线P(10)，进行了理论分析和实验验证，取得了发动机CO吸收光谱及其体积分数随时间变化的数据，变化范围为(153±123)×10-6。结果表明，P支谱线扫描范围内可降低48.28%目标气体温度变化对体积分数反演的影响。该方案能够为发动机尾气CO激光遥感测量提供一个高速、精准、实时的监测方案。     

农田开放环境下CO_2浓度的激光在线监测

含碳温室气体浓度增加而加剧的温室效应是气候变化的主要原因。在线监测陆地生态系统中的CO_2气体浓度并分析CO_2通量,对了解局地气候及改善环境意义重大。设计了基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的开放式CO_2气体监测系统,于2010年4月在中国科学院封丘农业生态实验站进行了小麦田间CO_2浓度的实时在线监测。连续监测结果表明:主要受植被光合作用的影响,田间CO_2浓度具有明显的日变化规律,基本特点是白天浓度降低,夜间浓度升高。系统不需要气体采样、监测范围广、灵敏度高、响应时间快、调校简单,为农田环境的CO_2浓度连续监测提供了有效的光学遥测方法。