基于中红外量子级联激光器的SO2 和SO3 检测研究

二氧化硫 (SO2) 和三氧化硫 (SO3) 是工业废气排放中的重要物质, 对环境和人体健康危害很大, 但对于他们 在排放过程中的原位-在线测量一直是个挑战。采用可调谐二极管激光吸收光谱 (TDLAS) 技术, 基于 7.16 µm 量子级 联激光器 (QCL) 对 SO2 和 SO3 进行同时检测, 通过波长调制光谱技术提高测量系统的灵敏度和鲁棒性。在高温低压 条件下采用单光程-小体积的气体吸收池利用 TDLAS 同时测量 SO2 和 SO3 的吸收谱线, 测量的 SO2 和 SO3 的吸收 光谱充分分离, 从而确保了测量的准确性。同时, 修正了温度变化对 SO2 气体浓度测量的影响, 并提出了用已知浓度 的 SO2 来定标未知浓度的 SO3 气体。 Allan 方差分析表明, 在 34 s 的积分时间内, SO2 的最小检测限达到了1.98×10−6 cm3·cm−3, SO3 可探测的最低浓度为 1.575 ×10−6 cm3·cm−3。系统的上升响应时间约为 16 s, 下降响应时间约为 18 s。     

宽光谱激光雷达探测多种气体的仿真研究

宽光谱激光包含丰富的谱特征信息,可用于同时探测多种气体。采用宽光谱激光雷达,利用最大似然估计算法,对同时探测多种有毒气体进行了仿真实验。仿真结果表明,探测距离1000 m时,远红外波段宽光谱激光雷达可以有效同时探测Sarin、Tabun、VX三种气体,且平均误差可以控制在5%以内。此外,选择不同远红外波段探测结果不同,需结合待测气体的吸收频谱特性来合理选择波段,以实现测量误差较小。通过选取9~10μm、10~11μm和10~11.5μm远红外三种不同波段对探测误差进行了分析和比较,结果表明,9~10μm波段为优选。     

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。     

基于非分散红外光谱吸收法的SO2测系统研究

对非分散红外SO2气体检测技术及其运行机理作了系统介绍.分析了非分散红外SO2气体检测的吸光度获取方案及浓度反演方法.以三阶多项式为拟合模型,采用非线性最小二乘法获得了系统的定标曲线.对系统的测量准确度进行了相关分析,得出测量误差＜2％.结果表明,利用非分散红外光谱吸收法能够实现对SO2气体的准确测量,可为其它气体的测...     

2μm附近二极管激光吸收光谱CO2浓度测量研究

采用波长2μm附近的可调谐半导体激光二极管作为光源,结合多步吸收光程和光纤传输技术,通过激光吸收光谱直接测量方法对CO2分子浓度进行测量研究。实验在标定了激光器调谐范围内17条CO2吸收谱线的波长及相应的吸收带跃迁的基础上,研究了不同压力下纯CO2气体在2008nm附近的吸收光谱,由吸收信号随气体压力的变化关系得到低气压下实验装置的系统刻度因子。并进一步对样品气体的CO2浓度进行测量,测量给出CO2分子浓度为(2.754±0.145)×1016 cm-3,测量误差主要来源于目前实验中所使用的气压计的精度和读数局限性。该研究为气体分子浓度测量、同位素含量分析提供了一种光谱测量方法。     

O-I化学激光器工作场所空气中Cl2和I2的同时测定

提出了同时测定化学氧碘(O-I)激光器工作场所空气中氯气(Cl2)和碘蒸气(I2)浓度的方法。以Na2SO3溶液作为吸收液,两级吸收管串联法测定吸收液的吸收效率,采用大气采样器与多孔玻板吸收管同时采集空气中的Cl2和I2蒸气,离子色谱测量吸收液中Cl-和I-的浓度。当采样流量为1.0L/min,以10mL吸收液采集15L气体时,吸收液对Cl2和I2的吸收效率分别为99.4%±0.3%和99.7%±0.1%,对应检出限分别为0.019mg/m3和0.030mg/m3;P=0.95时的扩展相对不确定度分别为8.2%和6.3%。化学O-I激光器工作场所5个监测点中,Cl2的最高浓度为0.200mg/m3,I2的浓度低于本方法检出限,Cl2和I2的浓度均低于工作场所空气中的最高容许浓度值(1mg/m3),为评估Cl2和I2对作业人员健康的影响提供了重要依据。本方法操作简便,检测快速,干扰少,可用于环境空气与工作场所空气中Cl2和I2浓度的同时测定。     

基于LabVIEW的空芯光子晶体光纤CO2气体检测系统

为了实现全光纤型高灵敏度气体在线检测系统,以空芯光子晶体光纤为传感气室,利用CO2气体分子在1 572.48 nm附近吸收谱以及虚拟仪器LabVIEW平台搭建了双光路差分CO2气体近红外检测实验系统。实验中所用空芯光子晶体光纤长度为1.8 m,通过对其两端同时充气,提高了系统响应速度,0.1 MPa下充气过程仅需100 s左右。以标准浓度CO2气体对该系统进行了标定,并对浓度2%、5%、10%和100%的CO2气体进行了测量,结果表明100 min内浓度检测相对误差不超过2%,标准差最大3.32%。气体吸收光程为1.8 m,系统检测灵敏度达到5.981 810-5 W/ppm。     

以干扰光谱做内部标准的乙醇激光遥测技术

乙醇是具有宽带吸收特征的大分子挥发性有机物气体,其宽带吸收受空气背景光谱的干扰,这给遥测带来了极大的困难。文中提出通过准确测量干扰光谱、用干扰光谱作为差分吸收谱内部标准的宽带谱气体分析方法,修正光谱分析系统可能的基线偏移和非线性,该方法成功应用于乙醇气体的激光遥测。针对乙醇的近红外特征吸收（7180 cm?1）,在实验室条件下,以近红外DFB激光器构建了开放式的遥测实验系统,测量结果表明乙醇浓度测量误差小于3.5 ppm,由Allan方差评价结果表明在积分时间15.1 s时,检测限2.6 ppm,比目前报道的最低检测限低近2个数量级。实现了乙醇的高灵敏开放光程遥测,为进一步研制小型化的乙醇气体遥测系统奠定了基础。     

大气污染物SO2的光声探测

以波长为266nm的激光为激发光源,采用脉冲光声光谱技术,用自制的光声探测装置对SO2分子的光声吸收特性进行了实验研究,获得了室温、665Pa气压的实验条件下声音在SO2气体中的传播速度.通过测量光声信号随实验条件的变化发现,光声信号强度随激光能量的增加而增大,随缓冲气体压强升高而增大,缓冲气压增加到约2.66×104Pa时出现饱和现象.在标准大气压情况下,测量了痕量SO2气体的浓度,采用这套光声探测装置,SO2气体探测灵敏度可以达到9.1×10-6.     

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。     

长光程差分吸收光谱法测量大气SO2浓度研究

差分吸收光谱技术测量空气中痕量气体浓度时,结果准确性受标准差分吸收截面和仪器函数影响.为此,提出采用多种浓度样气计算差分吸收截面的方法,将测得的差分吸收截面应用于实验室SO2样气的测量,得到SO2气体浓度相对误差为1.67％;现场测量大气中SO2气体浓度最大值为66.73ppb,最小值为12.49ppb,日平均浓度为28.2ppb,符合当地实际.实验表明,该方法能够准确测量大气中SO2气体浓度.     

差分光学吸收光谱(DOAS)技术在烟气监测中的应用研究

本文将差分光学吸收光谱(Differential Optical Absorption Spectroscoy,DOAS)技术中的浓度反演方法运用到烟气中NO、NO2、NH3和SO2的监测.利用它们在200～250 nm附近具有不同强度吸收的特性,测量烟气的吸收光谱,用DOAS方法反演出NO、NO2、NH3和SO2分子的浓度,这种方法消除了烟气中烟尘、水汽和其它成分的影响,使在线实时测量成为可能,在实验室内对不同气体分子浓度样气进行了测量和浓度反演,经过现场对比测量证明这种方法是正确的.     

双频光雷达的辐射源——NH3激光器

目前日益关注环境遥感仪器。测定向大气排放的污染气体成分和浓度的激光雷达就是一种。光雷达有多频和双频两种。多频光雷达用一个激光脉冲测量吸收和散射光谱。双频光雷达的特点是有一个固定频率的参考辐射 ,而吸收和散射光谱是用一系列脉冲记录的 ,而且探测辐射的频率是变化的。广泛使用在 9～ 1 1 μm谱段的是 CO2 激光雷达。 CO2 激光抽运的氨激光器可以制成波长在 1 1～ 1 3 .5μm谱段工作的光雷达 ,该区存在多种对生态有害的分子氟里昂、二口恶烷的吸收光谱。最合适的是使用剩余抽运辐射作为参考辐射的双频 NH3激光雷达。制造双频…     

水中氯化铵浓度光谱检测的实验研究

本文采用自行搭建的实验系统,研究了氯化铵溶液的光谱特性。实验基于多次测量取平均的光谱数据,采用光谱归一化的方法消除光强变化引起的测量误差,通过计算不同浓度的差谱,提取了对氯化铵浓度敏感的733nm、833nm特征波段。两波段的浓度回归结果表明,差谱强度与浓度具有良好的线性关系,对高光谱遥感探测的应用具有实际意义。     

基于分布反馈激光器在2.0 μm波段对CO2气体温度的测量

利用输出波长在2.0 μm处的分布反馈激光器对CO2气体的两条特征谱线进行扫描以实现气体温度的测量。介绍了利用可调谐激光吸收光谱方法进行温度测量的基本原理,提出了用多线组合非线性最小二乘法拟合高温吸收光谱的吸光度方法。常压下在静态高温炉中进行了实验,设定温度为900 K～1200 K时,经实验得到的温度值与热电偶测量值的温差在8%以内,计算得到CO2的5007.7874 cm-1吸收线强与理论计算值相对误差小于14%。为今后的气体温度测量及多参数同时测量提供了借鉴。     

激光SO2烟气自动遥测系统研究

对于SO2烟气的现有监测技术是采样分析系统,属化学手段.即采集一定量SO2烟气,利用特征化学方法,反演出SO2实际浓度,再调节治理技术中的相关环节,以控制SO2排放.但这种监测方法费时费力,无法实现实时在线控制.而且所测数据有很大的离散失真,难以作为治理技术的依据. 我们采用紫外吸收光谱技术,利用激光光源在开路大气中的气体吸收,根据SO2的特征吸收谱线,从而获得实时SO2的浓度.系统采用光纤系统,无接触测量,实现真正意义上的遥测. 根据比尔朗伯吸收定律,介质对光的吸收仅由介质浓度,介质厚度(即光通过的路径长度)和介质的吸收特性决定.在气象条件(温度、气压、湿度、风速和风向等)波动不大的前提下,吸收程度与介质的浓度呈线性关系,对于SO2,由于火力发电烟囱的高度为200 m左右,采样系统较难完成监测浓度的任务. 我们使用光纤系统,可以同时完成背景测量和背景扣除,从而获得SO2的纯吸收谱线,能够连续稳定地监测高浓度烟气SO2的实时浓度,利用自主开发的处理软件,可以在一分钟之内完成一个测量周期,所获得的数据真实、准确,为SO2治理技术实现实时反馈控制奠定了基础.(PE19)     

基于STM32F103的手持式多气体检测仪的设计

为了对工业废气与矿下有害气体进行有效的检测和监控,减小其对工业生产与作业人员的影响,文章设计了一种基于ARM处理器的手持式气体检测仪。该检测仪以STM32F103处理器为核心控制器,通过模块化编程思想,完成对CO、NH3、SO2和CH4等气体的浓度、压力和温度的检测。采用ASDXRRX010KDSB3传感器进行气体压力的采集与处理,将CO、NH3、SO2和CH4的浓度信号经放大滤波后通过MAX1167A/D转换芯片将其转换成数字信号送给处理器,通过采用K型热电偶测量温度,采用I2C总线的AT24C04存储器存储测量数据,采用LCD模块显示测量结果,并支持RS232串口与无线GPRS两种通信方式。该装置具有很好的使用价值,且体积小、功能强大、操作简单。     

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。     

基于光纤激光器的有源腔气体吸收测量网络

有源内腔法气体吸收测量技术具有极高的灵敏度,通过对基于掺铒光纤激光器的有源气体测量系统的分析和静态测量结果表明,在激光器阈值附近系统的灵敏度最大。为了有效地抑制噪声,提高测量精度,在环行腔光纤激光器的基础上又提出了采用波长调制/二次谐波检测的测量方法,并采用1×N的波分复用(WDM)器件构建了有源传感网络。实验中采用了一个1×4的波分复用器,其通道对应于乙炔气体的吸收波长,系统的解调通过扫描可调谐光滤波器的波长来实现。通过对8.31mol/m3的乙炔气体的实验表明系统最小可探测气体浓度为0.044mol/m3。     

非合作转动目标相干测速实验研究

激光相干探测比直接探测具有更高的灵敏度,在远距离非合作目标探测识别中具有优势。为实现漫反射目标速度非接触式测量,采取连续激光外差探测方式,对室内转动漫反射目标速度进行测量。通过对影响测量结果的误差源进行分析,找出影响外差测速准确性的主要影响因素并进行修正。同时采用振幅调制法对转速实时测量,将其作为目标真实速度。将外差测速与振幅调制测速结果进行对比,实验表明:顺时针旋转测速相对误差在2%以内的概率为99.25%,测速绝对误差在0.05 m/s以内,随着速度增大,测量相对误差呈减小趋势,测量绝对误差呈增大趋势。受运动目标速度限制,实验测速动态范围在0.05~16 m/s之间,而该测量系统实际测速最大值可达445 m/s。