基于光线追踪法的高精度CO2测量系统的研究

为了提高测量精度,对光线的有效利用率和最佳光程的选择进行了推导和优化。首先应用光线追踪法模拟CO2气室光路结构,计算光线的有效利用率;其次通过分析红外探测器接收到的光线,计算光程长对测量结果贡献率的影响,得出4.26μm波长下CO2的最佳光程为31mm。据此设计了CO2体积分数测量系统,并对20×10-6~1 500×10-6范围内的标准气体进行了测量。实验结果表明,该系统的测量精度可达到50×10-6。     

NO_2光波导气敏元件的制备及气敏性

采用溶胶-凝胶法(sol-gel)合成了有机硅溶胶,以间甲酚紫(m-Cresol Purple,m-CP)为敏感试剂,研制了m-CP-有机硅复合薄膜/K+交换玻璃光波导NO2气体传感元件。结果表明,该传感元件在室温条件下对NO_2气体具有较高的选择性响应,能检测体积分数为1.0×10~(-9)(V/V0)(信噪比S=15.6)的NO_2气体,响应-恢复时间分别为1 s和8 s。体积分数在1.0×10~(-3)～1.0×10~(-9)(V/V0)范围内输出光强度的变化与气体浓度之间有良好的线性关系(R=0.98),相对标准偏差(RSD)为0.3%～0.9%,表明该传感器检测数据可靠,能够满足低成本、快速、现场检测的需求。     

CH4检测系统微弱信号处理电路研究

基于光谱吸收原理设计的CH4检测系统,气体吸收的信号比光源的噪声还要小,被淹没在背景噪声中.为改善检测系统的信噪比,针对非常微弱的气体吸收信号,基于微弱信号的锁定检测原理,以锁相放大器为核心,以同步积分器自动跟踪滤波,设计了检测系统的光电信号处理电路.结果表明电路输出电压与CH4体积分数呈线性关系,电路对CH4气体体积分数的检测极限为150×10-6.     

基于NDIR技术的红外CO_(2)气体传感器研究北大核心CSCD

传统的CO_(2)检测系统体积大、响应时间长,难以满足工业开采中对CO_(2)气体的检测要求。文中以红外光源、气室、双通道热释电探测器和单片机为核心,设计了一款具有温度补偿功能的高精度红外CO_(2)气体传感器。采用单光路双波长的反射式气室结构,提高了整个系统的紧凑程度。在硬件方面,采用含光源驱动和信号调理电路的一体化模块,降低了电路耦合性,实现了传感器的微型化。在软件方面,采用差比值标定法建立温度补偿模型,消除环境干扰。实验结果表明:该传感器可以在0~30℃的温度下,对体积分数为0~5%的CO_(2)气体检测的最大测量误差小于±0.15%,且检测精度为3%,具有高精度、大量程,微型化、稳定性好等优点,满足工业开采等领域的实时监测要求。     

基于DSP的集成谐振式微悬臂梁便携式气体检测仪

针对集成谐振式微悬臂梁气体检测仪小型化的问题,利用DSP(数字信号处理)设计和实现了可快速现场检测的便携式气体检测仪。该仪器基于DSP28335开发,采用开环自动扫频与闭环锁相检测相结合的方式。闭环测试核心是软件锁相环的设计,其中采用DFT(离散傅里叶变换)算法提取相位差,提高了运算的速度和计算相位差的精度。软件设计跟踪算法使其能够一直跟踪频率变化,使锁相更快,精度更高。结合实验室研制的微悬臂梁传感器制备了便携式二甲苯气体检测仪,并对浓度低至30 ppm的二甲苯气体进行了实测,验证了该仪器具有快速的响应速度和检测重复性。     

基于TDLAS技术的N_2O气体检测系统设计

基于红外光谱吸收及谐波检测原理,讨论了谐波信号和气体浓度关系,搭建了基于可调谐激光吸收光谱技术的气体检测系统。该系统采用低频锯齿波和高频正弦波联合调制激光器,并由锁相放大电路提取一次谐波和二次谐波信号幅值,以STM32F103VB控制器为核心,进行数据处理与数据上传,实现对0~0.1%浓度范围氧化亚氮(N_2O)气体实时测量。首先,介绍了系统的总体设计与核心结构,包括系统的硬件结构与软件结构;并进行了系统的标定和性能测试,结果表明二次谐波和一次谐波信号幅值比与浓度具有良好的线性关系,检测精度可达20×10~(-6),满足对N_2O气体实时监测的需求。     

便携式NO2检测报警仪的研制

研制了能满足航天发射场推进剂泄漏检测需要的便携式NO2检测报警仪。仪器采用电化学原理,量程范围为1～500×10^-6（V／V）,分辨率为1×10^-6（V／V）,响应时间小于30s,使用寿命为2年。仪器体积小巧,操作方便,可随身佩戴。当火箭推进剂作业环境中NO2气体的浓度超限时,仪器可自动报警,便于作业人员尽早采取科学的安全防护措施,防止事故发生。     

基于非分散红外(NDIR)原理的煤矿甲烷检测仪

介绍了一种基于非分散红外(NDIR)原理的煤矿甲烷检测仪的总体设计。该检测仪使用进口红外检测元件,以新型电调制光源代替机械调制光源,实现了对煤矿井下大范围甲烷浓度的实时测量、液晶显示和超限声光报警等功能,并把甲烷浓度值转化为与煤矿其他设备兼容的4~20 mA标准模拟电信号,最后给出该检测仪在甲烷体积分数为0~10%的测量结果。     

基于气液相表面化学发光原理的臭氧在线测定仪

基于臭氧与曙红Y溶液之间的气液相表面化学发光原理,设计研制了臭氧实时在线测定仪。对仪器的性能进行了优化和表征,发现仪器测量臭氧的线性范围在0.5~450×10~(-9) v/v,峰值响应时间约为1s,时间分辨率为1s,检测限为0.5×10~(-9) v/v。本仪器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、结构简单、维护方便、成本低等优点,适合环境大气中臭氧气体的长时间连续在线检测。     

FY-3D星红外高光谱大气探测仪的在轨光谱精度评估

风云三号D星(FY-3D)于2017年11月15日成功发射,搭载了国内第一颗自主研制的极轨红外高光谱大气探测仪(High-spectral Resolution Infrared Atmospheric Sounder,HIRAS),数据将在数值天气预报、大气温/湿廓线反演、大气成分探测等方面得到广泛应用。为满足高精度的探测能力需求,HIRAS的光谱分辨率达到0.625cm-1,辐射定标精度要求达到1.0K,光谱定标精度要求达到10×10~(-6),均为目前国内星载红外仪器最高精度指标。由于光谱频率的精确性会直接影响辐射精度,红外干涉仪器在数据应用之前必须进行光谱定标精度的精确评估和监测。以晴空视场下的高精度逐线辐射传输模拟光谱作为参考基准,利用互相关法计算光谱频率偏差,对发射后的HIRAS在轨数据的光谱定标精度进行了全面评估和验证研究。HIRAS在长波、中波1和中波2的光谱精度达到3×10~(-6),其中长波和中波1光谱偏差标准差小于2×10~(-6),远优于仪器设计指标要求;长期的光谱精度稳定性显示HIRAS中波1和中波2的光谱定标精度较稳定,在半年时间内频率变化小于5×10~(-6),长波波段在半年的时间内有往负频率偏差变化的趋势,变化量约为7×10~(-6),需要进行持续监测。HIRAS在轨光谱精度可满足后端产品反演和同化用户的使用需求。     

A Raster thermal-neutron scintillation multidetector of modular type

A 100-channel scintillation multichannel detector of thermal neutrons has been designed and manufactured for modernizing the D7a neutron diffractometer on the IVV-2M reactor. The detector is built in accordance with the modular approach and allows arrangement of sensitive surfaces of channels on a cylindrical surface of arbitrary radius. The sensitive volume of a channel is a multilayer composition of stripes of an ND scintillation screen and wavelength-shifting fibers. The dimensions of the entrance aperture of the channel’s sensitive volume are 3 × 120 mm. The average detection efficiency in channels for neutrons of wavelength λ = 1.53 Å is 70%. The gamma sensitivity of the detector channels is no higher than 1 × 10^?7. The maximum counting rate of an individual channel is ≥ 1 × 10⁵ neutrons/s. Each module of the detector is an independent device and contains ten channels for neutron detection, signal-processing electronics, a high-voltage supply system, and computer-interfacing electronics. A CAN interface is used to acquire data from the modules, set the registration parameters, and control the modules.     

基于LED光源的一氧化碳气体检测仪的设计

文章描绘并分析了一氧化碳分子的红外吸收光谱,推导了一氧化碳分子的吸收线型,估算了分子吸收系数,给出了气室设计的最佳长度。通过光谱分析发现,一氧化碳基频吸收比倍频吸收强约两个数量级,因此基频对应的4．60μm吸收谱带更适合于高灵敏度的一氧化碳气体检测。文中设计了一种基于LED光源的红外一氧化碳检测仪,结果表明,利用单LED光源、双探测器及反射式气室结构能够有效抑制环境变化、LED功率波动及探测器漂移等产生的噪声的干扰,进而具有较低的探测灵敏度,探测限为100×10-6。     

有机溶剂对α-萘乙酸无保护性流体室温磷光性质的影响

在无保护性介质存在下,仅以Na_2SO_3作化学除氧剂,用KI或TlNO_3作重原子微扰剂,就能直接诱导α-萘乙酸(α-NAA)水溶液强而稳定的流体室温磷光(RTP)发射。磷光峰位波长λ_(ex)/λ_(em)分别为281/495,522nm和289/492,521nm。当体系中引入少量有机溶剂时,体系RTP强度,达到稳定所需的光诱导时间及重原子微扰剂的选择都受到较大影响。在维持乙醇或乙腈含量<1％条件下,用KI作重原子时,α-NAA的分析曲线线性范围为6.0×10~(-7)～1.6×10~(-5)mol/L和1.6×10~(-5)～8.0×10~(-5)mol/L,相关系数分别为0.999和0.997,检出限为3.6×10~(-8)mol/L。用TlNO_3作重原子时,分析曲线线性范围为6.0×10~(-7)～4.0×10~(-5)mol/L,相关系数为0.997,检出限为4.3×10~(-8)mol/L。     

双视场无盲点全景成像仪

折返式全景成像技术作为一种新型的成像技术是光学设计领域近十几年的研究热点,但该技术有一个重大缺陷——在镜头的正前方存在观测盲区。本文设计了一种拥有双观测模式的新型全景成像仪。相比于传统的折返式全景成像仪,该仪器可以同时对前向视场360°×(0°~55°)和环形视场360°×(55°~95°)进行观测。其中,前向视场很好地补充了折返式光学系统的中央观测盲区,并增加了CCD探测器的面积利用率。该成像仪光学系统由前置透镜组、全景环形透镜和中继转像系统三部分组成。所有的透镜表面均为球面,具有易加工、低成本的特点。最后针对这种光学系统设计了对应的机械结构,从而为以后成像仪的加工、装调服务。该成像仪设计为折返式全景成像技术提供了一个新思路。     

基于PC的程控锁相放大器研制

基于PC机和LabWindows/CVI,采用自制数采卡和LIA－MV－150锁相放大模块,研制了一种用于微弱光信号测量的程控锁相放大器,文章介绍了该仪器硬件软件的设计方法。     

一种改进型非交叉非对称 C-T 结构近红外 微型光谱仪设计

针对基于固定光栅和阵列探测器的常规微型近红外光谱仪成本高、光谱范围窄等问题,提出了一种基于集成扫描光栅微镜的双探测器微型近红外光谱仪。该系统采用自制的集成扫描光栅微镜作为核心分光部件,可同时实现扫描与分光功能,光学系统设计利用两个聚焦镜和两个InGaAs单管探测器的空间布局避免不同光路之间的相互干扰,可实现双通道同时、独立工作,此外双通道探测器前内置不同截止波长的带通滤色片消除光谱重叠。采用光线追迹法建立了理论模型计算光学系统的初始结构参数;利用ZEMAX完成了光学系统的优化设计并给出优化结构参数。测试结果表明,该仪器工作波长范围:800～2 532 nm,分辨率:小于12 nm(800～1 600 nm)、小于17 nm(1 600～2 532 nm),整体尺寸:145 mm×135 mm×75 mm,具有宽光谱、小体积、低成本等优势。     

An analysis of the signal-to-noise ratio of a current amplifier

The signal-to-noise ratio of the current amplifier that includes a differenting delay line (50 ns) and an RC integrator is analyzed. The amplifier is intended for use in conjunction with charge-, curret-, or voltage-pulse detectors, including those with large capacitances or low ohmic resistances. The amplifier and detector can be connected with a long (in this work, up to 100 m) radio-frequency cable. The root-mean-square intrinsic noise charge of the amplifier is 2.8×10³ e ⁻ when the input is nonloaded and 13.7×10³ e ⁻ when a 20-meterlong 3 cable is connected to the input. If the charge produced by the detector is constant and the pulse duration decreases, then both the signal-to-noise ratio and the equipment speed performance can be increased.     

探测器光谱灵敏度测试装置

本装置是一多功能光谱测试装置,适用于对红外探测器作宽范围光谱灵敏度的测量,以及红外光源光谱能量分布测量。整个装置由光学系统、电信号处理系统和数据自动记录系统组成。光谱响应的波长范围为1～50μm,在1～10μm波长范围内已校正的波长准确度为±0.1μm,其相对光谱灵敏度分布的重复性为2％。由于采用参比探测器方法组成双光路分光系统,以及锁相放大技术,消除了辐射源光谱分布的选择性和反射及吸收形成的能量损失对测量带来的影响。同时有效地抑制了噪声,提高了系统测试的信噪比,使装置的噪声等效功率达到NEP<7×10~(-11)W/HZ1/2。     

陶瓷微板热隔离半导体气体传感器阵列设计与实现

具有高浓度、挥发性、强氧化性的液氯、氮氧化物等危化品泄露、爆炸的安全检测一直是一个难点问题,要求检测传感器具有较宽量程和抗腐蚀设计。基于Al N陶瓷的微热板半导体气体传感器阵列设计,采用耐腐蚀的Al N陶瓷为衬底,物理化学性能稳定的Pt膜作为信号和加热器电极,经杂化修饰的In-Nb复合半导体氧化物为敏感材料,结合柔性光刻剥离工艺和激光微加工工艺,制备了陶瓷微板热隔离气体传感器阵列。为验证传感器阵列热结构设计的合理性,进行了有限元热仿真分析,优化了设计结构。经静态气敏测试分析,传感器阵列对浓度体积比500×10~(-6)的Cl_2和100×10~(-6)的NO_2两种气体的气敏响应时间分别为30 s和60 s左右,灵敏度最高分别为275倍和4倍,且在0~500×10~(-6)和0~100×10~(-6)检测范围均具有良好的气敏特性,对Cl_2等高浓度宽量程危化品气体检测具有良好的应用前景。     

AN ALL-FIBER GAS SENSING SYSTEM USING HOLLOW-CORE PHOTONIC BANDGAP FIBER AS GAS CELL

An all-fiber compact gas sensing system using a hollow-core photonic bandgap fiber (HC-PBF) as a gas cell is proposed in this paper. Compared with the present reported microstructured optical-fiber gas cells, the HC-PBF gas cell proposed here has relatively lower transmission loss and much simpler construction. The total transmission loss through the HC-PBF gas cell is demonstrated experimentally to be as low as 1.5 dB and the time taken for gas to get into the 90-cm-cell, under the free diffusion condition, is approximately 11 min. Combining the HC-PBF gas cell with a tunable fiber laser, an all-fiber gas sensing system is developed. The properties of the proposed system are demonstrated experimentally by detection of carbon monoxide (CO) and acetylene (C₂H₂). Approximately linear relationships between the system responses and the concentrations of the detected gases are experimentally demonstrated. The minimal detectable concentration of CO of 300 ppm and C₂H₂ of 5 ppm are also achieved respectively by the experiments.