光声光谱法探测微量气体

介绍光声光谱气体传感器的发展及应用意义,根据气体光声效应讨论了光声气体传感器的工作原理,详细分析了多种不同结构传感器的原理及优缺点.重点讨论了常用一维管状光声腔体的光声理论,并给出了数学模拟模型.根据国内外的研究现状,分析了光声气体探测系统的重难点以及可能的解决方法,并讨论了光声传感向MEMS方向发展的原因及意义.     

MEMS光声气体传感器光声腔的研究

光声气体传感器在微量气体探测方面具有许多优势,光声气体传感器的MEMS化可降低成本,提高传感器性能,具有重要的实际意义.依据光声传感器的原理,结合MEMS加工技术,研究制作了一种光声腔,同时,进行了一定的理论模拟,为实现光声气体传感器的MEMS化打下重要基础.     

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。     

非共振光声CO_2气体检测系统

非共振光声红外气体检测系统结构简单、成本低,有很好的应用前景。设计和制备了基于MEMS电调制光源、驻极体麦克风和单腔室及双腔室非共振光声探测器的气体检测系统。根据系统的频率响应特性选择了最佳的光源调制频率,并对不同体积分数的CO2气体进行了测试。相对于传统的单腔室结构,设计的双腔室结构有效提高了系统的响应信号幅值,并降低了气体检测限,单腔室系统的检测限约为7.2×10-6,双腔室系统的检测限约为2.1×10-6。     

基于光声光谱技术的多组分气体探测研究进展

多组分痕量气体检测在工业、军事、农业和医疗等领域均有着重要的研究和应用价值。高性能光声光谱技术因其灵敏度高、响应快、选择性高及非接触式实时连续测量等优点受到人们的青睐。本文首先对多组分气体监测需求和光声光谱技术的主要优势和基本原理进行阐述;然后从光源分类的角度出发,介绍了现有多组分气体测量技术的最新研究进展,概括光声光谱中常用的探测方式,包括多路复用技术和干涉型傅里叶变换红外光谱等,并对其具体的适用范围和优缺点进行了对比分析。同时,针对实际应用环境中气体传感系统主要存在的光谱干扰和吸附效应的问题,介绍了相应的解决方法。最后,对光声光谱多组分探测方法的未来发展方向进行了总结和展望。     

火灾烟气中CO和烟颗粒的光声复合探测方法

利用气体滤波光声技术和光散射原理测量早期火灾烟气中CO和烟颗粒浓度的方法和系统.分别采用两个气体滤波光声腔的作为CO测量光声腔和烟雾参比光声腔,在光源和光声腔之间建立火灾烟气的测量路径,记录其进入该路径后光声信号强度的变化,通过两个滤波波长上CO吸收和烟颗粒消光的相关处理,同时得到CO浓度和烟雾浓度.     

矿井CH4和煤尘的光声复合检测方法研究

煤矿瓦斯（CH4）爆炸常常与煤尘爆炸相互伴随发生,以往CH4和煤尘的浓度都是分开检测,不利于煤矿瓦斯煤尘爆炸的准确预测。本文利用气体滤波光声技术和光散射原理对矿井气体中CH4和煤尘质量浓度进行复合测量。分别采用两个气体滤波光声腔作为CH4测量光声腔和煤尘参比光声腔（CO测量光声腔）,在光源和光声腔之间建立CH4和煤尘的测量腔,记录其进入该测量腔后光声信号强度的变化,通过对两个滤波波长上CH4吸收和煤尘颗粒消光的相关处理,同时得到CH4浓度和煤尘质量浓度。实验数据表明,光声复合检测方法可以对CH4和煤尘质量浓度进行准确检测,准确度达到10-4数量级。     

声表面波CO气体传感器高精度频率测量研究

声表面波(SAW)CO气体传感器的输出量是频率,因此高精度频率测定是保证其可靠性和正确计量的关键之一;尽管目前有多种频率测量方法,但适合并与传感器相配套的微型、高精度频率仪在国内尚罕见报道;我们在研究了现有频率测量方法的基础上,借助全同步机制、分频技术,将频率误差倍增法和多周期同步法相结合得到了一种适合于声表面波(SAW)CO气体传感器输出频率的测量方法,并给出了实现频率测量的原理和电路及其主要的电子元件。     

光声光谱式甲烷气体传感器的研究

根据物体在周期性变化的光的照射下会产生声音信号的现象,提出了一种基于光声光谱理论的甲烷气体检测的方法.根据比尔-朗伯定律,经过调制的平行光束通过不同体积分数的甲烷气体时,其光强将会发生不同程度的衰减,若衰减后的光束进入光声腔,将会在光声腔内产生光声信号,通过测定光声信号的幅值来达到检测甲烷气体体积分数的目的.此方法相对于通常的光谱法,增加了把热能转换为声信号的过程,具有极高的精确性和可靠性,为设计高灵敏度瓦斯传感器的研究提供理论依据.     

采用光声光谱技术检测乙炔气体的研究

气体光声光谱检测技术灵敏度高,不消耗被测气体,能够很好地检测变压器油中溶解的微弱气体.乙炔是变压器产生的微弱气体之一,为了检测乙炔气体,构建了用以检测该气体的实验装置.利用该装置,对外腔可调谐半导体激光器的辐射特性进行了分析;深入分析光声池的品质因数和频率响应;在低气体体积分数、低激光功率条件下,得到了光声信号与气体体积分数、激光功率间的关系.     

球形光声腔中二氧化碳的检测

气体光声光谱技术是一种基于光声效应的微量气体检测技术,它具有高灵敏度、高选择性、大动态检测范围的优点,本文从理论上讨论了气体检测球形光声腔共振模式的声学特性,计算表明,与常用的圆柱形光声腔比较,球形光声腔不存在粘滞损耗,具有更好的检测特性;利用球形光声腔和二氧化碳激光器构成的气体光声检测系统,从实验上测量了球形光声腔的共振模式,与理论计算结果一致;实验结果表明注入浓度为300 ppm二氧化碳的球形光声腔所激发的光声信号为5.68 mV,信噪比高达45,尽可能地降低了声波在光声腔内壁附近的热损耗和粘滞损耗,提高了二氧化碳气体检测灵敏度.     

基于GA-WNN温度补偿的红外CO2气体传感器系统研究

为了提高红外CO2气体传感器的探测灵敏度和精度,首先基于计算流体动力学（CFD）仿真计算,研究了传感器腔内气体辐射功率吸收效率与腔体结构之间的关系,模拟结果表明：当圆柱腔体的直径与内壁反射率固定时,腔体结构存在最佳腔长可使传感器红外辐射功率吸收效率达到最大。然后基于CFD仿真的结果设计和实现了CO2气体传感器,并开展了实验比对与验证,进而着重研究了环境温度对气体测量结果的影响。实验结果表明：在5~45oC温度范围内,传感器在0~2000 ppm浓度范围内的测量误差随着温度升高而显著增大。最后采用遗传小波神经网络算法（GA-WNN）对传感器进行了温度补偿,数据融合补偿后传感器的温度漂移得到了较好的抑制,其绝对误差小于±70 ppm,在非样本温度点下,整体平均误差小于±100 ppm,表明CO2气体传感器的测量精度得到了较好的提升。     

红外吸收型CO_2气体传感器的设计

根据CO2气体的吸收光谱,基于比尔朗伯定律,设计了一种易于实现的红外吸收型CO2气体传感器。它采用单束双波长非发散性红外测量方法,对CO2气体实现了高精度、高选择性的检测。该传感器结构简单、外形尺寸小、性能稳定、抗干扰能力强,具有广阔的应用前景。     

基于石英增强光声光谱技术的开放光路气体传感系统研究

针对传统石英增强光声光谱系统存在体积大、实时性差,无法实现在狭小空间中探测等缺点,提出一种基于光纤引导方式的开放光路石英增强光声光谱传感系统。系统用光纤将激光引导至石英音叉两叉指中央,以实现对狭小空间中痕量气体的探测。搭建了实验系统,开展了对常温常压下空气中水蒸气含量的探测来验证该系统的探测灵敏度及可靠性。得到其归一化噪声系数为7.15e-7cm^(-1)?W/Hz^(1/2)。实验结果表明,该系统的探测灵敏度是传统石英增强光声光谱系统的5倍。该系统体积小、实时性强,无需样本取样,适用于开放环境中对痕量气体的检测。     

新型扁锥腔红外CO2气体传感器系统研究

为提高红外CO2气体传感器测量精度,本文利用非分光红外探测技术设计了以白炽灯红外光源、双通道热电堆红外探测器和扁锥腔体为主要元件构成的新型红外CO2气体传感器。采用Zemax光路仿真分析,研究了新型扁锥腔CO2气体传感器探测面光强分布,并结合ANSYS FLUENT软件对扁锥型气室进行结构优化。以STM32单片机为核心,实现了光源电调制,采用ICL7650放大处理探测器的电信号,再由STM32控制ADC进行信号采集,提高了测量系统的抗干扰能力。在此基础上开展了标定和测试实验,结果表明：在25℃环境中,传感器能够准确检测出0-2000 ppm量程范围内的CO2气体浓度,具有较好的重复性和长期稳定性。三组实验平均相对误差最大为5.2%,重复性误差最大为5.5%,稳定度为2.3%。该研究对红外CO2气体传感器结构优化和测量精度的提高具有参考意义。