基于双波长法的光声光谱气体检测

光声光谱法是检测气体最灵敏的方法,气体浓度检测精度可达到ppt量级,但这需要复杂的实验系统和昂贵的器材,不利于在工程实践上使用.本文基于可调激光器的电流调制特性,提出了一种在测量气体吸收谱的吸收零点和吸收峰之间有效切换波长的简单调制方法.当激光功率为2.1 m W时,甲烷气体浓度的测量极限可达到0.46 ppm,测量结果证明了双波长法的可行性.     

亥姆霍兹光声光谱多气体检测器设计和优化

光声光谱技术作为一种先进的光学检测技术,已成功应用于各种痕量气体检测场合。实现多气体的光声光谱检测,同时保证高的检测灵敏度是检测器设计的核心目标。针对测量需求设计,优化了一种基于亥姆霍兹共振的光声光谱多气体检测器,使用有限元分析方法对检测器进行了设计和仿真分析,对光声池的结构参数以及温度和压力特性进行了优化和分析。仿真结果表明:对光声池结构参数进行优化和对温度压力进行控制可以提高检测器检测灵敏度;采用光源IR-19时,激发腔38 mm9 mm,连接管5.9 mm10.2 mm和探测腔30 mm5.8 mm为光声光谱检测器的最优化参数。经实验验证,检测器对CO气体的检测精度达到5.08 ppm（1 ppm=10-6）。研究结果为痕量多气体的光声光谱检测提供了设计参考。     

缓冲气体对光声光谱法气体检测的影响

为了研究气压及缓冲气体种类对光声信号及共振频率的影响，采用光声光谱技术，设计了一套基于光声光谱技术原理的痕量气体检测系统。实验中以NH₃标准气作为待测气体，采用向光声池内充入缓冲气体的方法来改变光声池内气压，在气压作为单一变量的条件下得出0.03MPa~0.1MPa气压范围内光声信号及共振频率的变化；采用分别向光声池内充入不同种类缓冲气体的方法，得出不同缓冲气体条件下0.03MPa~0.1MPa气压范围内光声信号及共振频率的变化。结果表明，随着气压的升高，光声信号幅值增大，并且越重的缓冲气体使光声信号增幅越大；气压的升高使得共振频率偏移，共振频率的偏移量与光声池内混合气体分子的摩尔质量成反比。该研究为解决在现场进行气体检测时，气压及背景气体变化的复杂环境对检测结果的影响提供了参考。     

表面裂纹深度检测的非接触光声检测技术研究

提出了一种基于激光超声宽带透射系数和的表征参数,实现了表面裂纹深度的定量检测。通过有限元仿真与实验测量方法,从时域和频域分析了激光产生的瑞利波与表面裂纹的相互作用机制,采用宽带透射系数和作为表征裂纹深度的物理参数,并建立了其与表面缺陷深度之间的拟合方程。结果表明,脉冲激光产生的瑞利波对金属表面裂纹深度变化十分敏感,所提出的计算方法可用于精确判断表面裂纹的深度。本文研究成果可为工件表面裂纹的非接触检测提供潜在应用。     

基于超窄线宽激光器的多气体光声光谱检测研究

针对多组分痕量气体检测中精确度差、灵敏度低等问题,设计了基于光源波长扫描技术的光声光谱式多组分痕量气体检测系统。系统采用单一超窄线宽半导体激光器作光源,设计了一阶纵向共振式多光程吸收光声池,通过正弦信号对光源波长进行调制,并结合二次谐波信号检测技术和超窄线宽激光特性,有效地消除了吸收池内的背景噪声和光源抖动的影响,实现...     

基于组合激光光源的双组分微量气体检测系统

CH₄和C₂H₂是变压器发生故障时两种重要的特征气体。为了实现对变压器中溶解的微量CH₄和C₂H₂气体含量检测的需求, 采用激光光声光谱气体检测技术, 通过分析CH₄和C₂H₂气体的近红外吸收谱线, 选取合适的激光光源并确定激光调制参数; 设计并搭建了一套以双激光光源和非共振光声池为核心的光声光谱微量CH₄和C₂H₂气体检测系统, 获得了系统对CH₄和C₂H₂气体检测灵敏度和低含量检测误差。结果表明, CH₄和C₂H₂气体分别在体积分数为0~1000×10-6和0~500×10-6的范围内具有良好的线性响应, 每10-6体积分数的检测响应度分别为5.8969μV和16.1831μV; 在低含量CH₄/C₂H₂混合气体对系统的重复性和精度测试中, CH₄气体体积分数为3.00×10-6时的检测最大绝对误差为0.30×10-6, C₂H₂气体体积分数为0.50×10-6时的检测最大绝对误差为0.20×10-6。此研究结果满足测量误差的技术指标要求, 实现了对微量CH₄和C₂H₂气体的高灵敏度检测。     

金属增材工艺裂缝缺陷的脉冲光声检测技术

增材制造过程中由于工艺参数控制,材料特性及工件复杂形状等因素仍会导致金属工件中裂纹、孔隙等缺陷的产生,严重影响产品质量,因此对增材制造工件的缺陷检测具有非常重要的意义.本文开展了基于光偏转的金属光声裂缝缺陷检测技术研究,文中基于光偏转测振技术,建立了脉冲光声裂缝检测的验证系统,并开展了相应的模拟测试,获得了优于20μm...     

气体等离子体辐射光声信号检测与分析

气体等离子体做为一种新的辐射源,因具有辐射范围宽等优点而备受关注。本文对强飞秒激光脉冲诱导大气等离子体辐射光声信号现象进行了探究,用实验的方法探测和分析了激光脉冲能量、偏振方向以及声传输的径向距离对光声信号强度的影响。     

基于量子级联激光器光腔衰荡光谱技术的痕量氨气检测

采用基于红外脉冲量子级联激光器的高灵敏光腔衰荡光谱(Cavity ring-down spectroscopy)技术建立了氨气在1027 cm-1(9.7 μm)附近的吸收光谱痕量检测实验装置.使用该装置对人体口腔呼出气体以及超净实验室环境中氨气成份进行了测量和分析,氨气的检测灵敏度达到10 ppb.模拟分析了激光器光谱线宽对测量结果和系统检测灵敏度的影响,随着激光器光谱线宽的增加,测量结果偏低,系统检测灵敏度下降.为了减小光源线宽对测量结果的影响,通过修正曲线对测量数据进行修正,得到了较好的结果.     

用于红外气体检测的多通池温度、压强控制系统研制

为了实现CO₂气体同位素的高性能检测,研制了高精度、高稳定性的多通池温度、压强控制系统。采用柔性PCB作为加热片包覆圆柱形多通池。考虑到温度控制系统的加热速率,外层包覆保温棉作为隔热装置,使得整个温度控制系统能实现快速加热,且能够保持温度的长时间稳定。采用铂电阻PT1000温度传感器对多通池温度进行精确采集,主控制器通过PWM信号,调控柔性PCB加热膜的发热功率,从而实现温度的闭环控制。压强控制系统方面,采用压强传感器连接于多通池前、后端,检测多通池内部气压,主控制器通过PWM信号,调控多通池前、后端比例阀导通状态,从而实现压强的闭环控制。结果表明,温度控制范围为18.48~42 ℃,温度控制精度为±0.08 ℃。多通池压强为60 Torr(1 Torr ≈ 133.322 Pa)时,控制精度为±0.04 Torr。该系统为红外CO₂气体同位素的高性能检测提供可靠保障。     

CO-laser photoacoustic detection of phosgene (COCl2)

Detection of COCl₂, a highly toxic gas in chemical industry, using laser photoacoustic spectroscopy is presented. The spectrophone system used has a broad band LN₂ cooled CW CO laser as a source of radiation, which operates from 4.8–8.4 um in the mid-infrared. Using an extracavity open longitudinal resonant cell, absorption signals to about 30 CO laser lines in the 5.45 um region could be observed. detection sensitivity has been estimated to be ppb order.     

用于激光气体同位素探测的多通池温度控制系统研制

采用激光吸收光谱法可实现气体同位素丰度的探测,由于待测气体吸收线的吸收系数会受待测气体温度的影响,将直接影响气体同位素检测系统的精准度和稳定度,文中设计并研制了一种高精度的多通池温度控制系统。硬件方面,采用高精度PT1000铂电阻温度采集电路与聚酰亚胺电热膜加热装置,构成了一个完整的闭环温度控制结构。软件方面,采用Ziegier-Nichols工程整定方法对比例、积分、微分三个系数完成整定。针对被控对象结构复杂响应较慢引起超调量大问题,采用积分分离比例-积分-微分控制算法,使温度控制快速且无超调。利用该系统进行温度控制实验,实验表明:温度控制范围为18~42℃,温度控制精度达到0.08℃,稳定时间位15 s,该系统具有精度高、响应快速、无超调的优点,为激光气体同位素探测提供了可靠保障。     

约束最优化数字全息在气体温度场检测中的应用

研究了一种基于约束最优化方法的数字全息再现技术,将物光波的复振幅的重建作为优化问题来解决,在迭代过程中使物平面的光场分布不断接近真实值,得到待测温度场相位变化后,利用滤波反投影算法(FBP)重建折射率差分布,进而得到气体温度场分布.进行了散热片和电烙铁附近温度场的检测实验,结果表明,约束最优化再现算法对复杂物体强度像与...     

An efficient fiber fluorescence probe for the detection of trace elements

A high-efficiency capillary-fiber optic probe is developed for measuring the concentration of trace elements. The optimal probe consists of an excitation fiber (incident fiber) and a ring of collection fibers which is made up of 6 fibers. Both simulation and experiment results show that the structure gives the higher coupling efficiency with a reasonable capillary diameter. The coupling efficiency of the probe is determined by the number and arrangement of the fibers, internal diameter and length of the fiber optic sensing probe, and the end reflectivity of the capillary. The concentra-tion of the carbonic anhydrase solution and dezincification reagents also affect the efficiency. A fluorescence efficiency of 2.4% is obtained in zinc detection experiment.     

Laser optical lever for sensitive detection of trace gases

Nonintrusive, species-selective and linear detection of trace gases is implemented with a novel intracavity laser absorption method. A first experimental realisation demonstrates a sensitivity of 3×10 ⁹ molecules of methane, which exceeds that of gas chromatography by two orders of magnitude     

微气体流量计的模拟与优化

温差法测流量是一种新型气体流量计的基本原理 ,温度传感器的布置对流量计的性能影响很大。本文使用基于分子运动理论的直接模拟MonteCarlo法对这种微气体流量计通道内的气体流动进行了数值模拟 ,对比了有无传感器时速度场和温度场的分布 ,指出传感器的布置对温度场的影响很小 ,并根据温差分布规律提出了传感器布置的优化方案。     

微气体流量计的模拟与优化

温差法测流量是一种新型气体流量计的基本原理，温度传感器的布置对流量计的性能影响很大。本文使用基于分子运动理论的直接模拟Monte Carlo法对这种微气体流量计通道内的气体流动进行了数值模拟，对比了有无传感器时速度场和温度场的分布，指出传感器的布置对温度场的影响很小，并根据温差分布规律提出了传感器布置的优化方案。     

Waveform optimization for MIMO-STAP to improve the detection performance

In this letter, we address the problem of waveform optimization for multi-input multi-output (MIMO) space-time adaptive processing (STAP) in the presence of colored Gaussian disturbance. A novel diagonal loading (DL) based method is proposed to optimize the waveform covariance matrix (WCM) for maximizing the output signal-interference-noise ratio (SINR) of MIMO-STAP such that the detection performance can be maximized. The resultant nonlinear optimization problem is reformulated as a semidefinite programming (SDP) one, which can be solved very efficiently. Simulation results show that the output SINR of MIMO-STAP can be improved considerably by the proposed method, as compared to that of uncorrelated waveforms.     

光声光谱技术在SF6分解产物中的应用研究

介绍了光声光谱技术的基本原理,采用英国凯尔曼(Kelman)有限公司研发的便携式变压器油中故障气体及微水检测装置Transport-X对SF6分解产物中的CO和SO2进行了检测,由于Kelman公司的检测装置是检测油中故障气体的,装置中没有SO2滤光片,因此根据HITRAN2004数据库重新选取了SO2气体的滤光片,并用新选择的SO2滤光片替换原来Kelman检测装置中的一个滤光片,来实现对SO2气体的检测。对不同浓度的CO和SO2气体进行了标定,结果表明光声信号与待测气体浓度之间具有良好的线性关系,CO和SO2气体的最低检测限分别达到了4.063ppm和9.540ppm。     

可调谐激光痕量气体检测中的数字滤波技术的优选

为改善可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)系统的检测性能,以浓度为50×10-6和17×10-6的H2S气体检测为例,根据TDLAS系统的噪声特征,选择了4种数字滤波技术并利用Visual C++软件分别编写了程序对二次谐波原始信号进行压噪和有效信号的提取。结果表明,采用非线性最小二乘法与数字平均滤波技术相结合,使系统理论检测极限由原来的30×10-6提高到了5×10-6量级;对于反演后气体的浓度信号则采用Kalman滤波进行再去噪,使信噪比提高了近8倍。比较结果表明,经过上述滤波处理,TDLAS系统的信噪比和检测极限性能有明显改善。本文的上述方法实际应用到我们的TDLAS在线工业排放气体的测量系统中,取得了良好的效果。