CO and CO2 dual-gas detection based on mid-infrared wideband absorption spectroscopy

A dual-gas sensor system is developed for CO and CO2 detection using a single broadband light source, pyroelectric detectors and time-division multiplexing (TDM) technique. A stepper motor based rotating system and a single-reflection spherical optical mirror are designed and adopted for realizing and enhancing dual-gas detection. Detailed measurements under static detection mode (without rotation) and dynamic mode (with rotation) are performed to study the performance of the sensor system for the two gas samples. The detection period is 7.9 s in one round of detection by scanning the two detectors. Based on an Allan deviation analysis, the 1σ detection limits under static operation are 3.0 parts per million (ppm) in volume and 2.6 ppm for CO and CO2, respectively, and those under dynamic operation are 9.4 ppm and 10.8 ppm for CO and CO2, respectively. The reported sensor has potential applications in various fields requiring CO and CO2 detection such as in the coal mine.     

准连续调制激光吸收谱测量CO气体系统研究

准连续信号是一种重要的调制信号形式,在多个领域有广泛应用。准连续调制激光吸收谱是准连续信号典型应用之一,具有响应迅速、检测精度高、检测限低的特点。在地震、塌方、火灾等灾害环境下,由于堆积形成复杂封闭环境或燃烧不充分有可能产生极易燃爆的CO有毒有害气体。因此,灾害现场破拆机器人进行救援时,需要对现场的气体环境进行监测和分析,避免造成二次爆炸伤害。本系统对CO气体展开研究,采用准连续调制激光吸收谱技术,搭建测量实验系统,实施了改变浓度、压力和温度条件的CO测量实验,得出了准连续调制激光吸收谱2f信号幅值与CO浓度、实际测量时的压力、温度的关系模型。这些关系模型可使破拆机器人在灾害现场根据测量系统实际测得的压力和温度值对CO气体的浓度进行相应的压力以及温度补偿。     

基于V型腔增强吸收光谱技术的一氧化碳检测研究

论文基于光反馈原理及V型增强腔技术,结合量子串级激光器,搭建了CO吸收光谱检测系统.研究并实现了光反馈效应(反馈相位自动可调)、偶数和奇数腔模式效应、激光器阈值电流降低效应.系统有效反射率达到99.979%,在物理长度为47 cm的光腔内实现了4.48 km有效吸收路径.通过自动调节V型腔长,使光谱分辨率从0.005 3 cm~(-1)提高到0.001 1 cm~(-1).通过阿伦方差分析,确定了最高信噪比的积分时间为53 s.气体压强40 torr,温度20°C时,系统对CO(R(6)吸收线)检测准确度及检测极限分别达到(97.79±0.07)%和(0.49±0.04)ppb.也分析和证明了气体压强对CO的峰值吸收强度、检测准确度及检测极限的影响.     

CO2分子的近红外可调谐二极管激光吸收光谱高灵敏探测

利用近红外可调谐半导体二极管激光用直接吸收光谱技术和波长调制光谱技术初步观测了CO2在1.31 m附近的吸收.从实验结果可以看出,在4.5torr压力下,可探测最小吸收线强度为3.769×10-27μcm-1/(molecule·cm-2),相应的信噪比是16.8.     

基于DOAS技术的SO2浓度分析仪研究

为了实时监测工业烟气中SO2的排放,设计了一种基于差分吸收光谱技术的SO2浓度分析系统。该系统采用差分吸收光谱技术原理,在深入研究差分吸收光谱数据处理方法的基础上,在实验室状态下获取了与仪器分辨率相匹配的SO2标准吸收截面,采用光路反射设计和透紫石英镜片,改进了气体池结构。结果表明,该系统的实时测量浓度值与标准浓度值有较好的一致性,能够满足对SO2气体排放的高精度实时监测要求。     

基于激光吸收光谱技术的超声速气流参数测量

采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术,针对超声速直连台隔离段内超声速气流温度、组分浓度、速度和质量流量进行了测量.选择H2O的两条吸收谱线7 185.597 cm-1和7 454.445 cm-1,采用直接吸收-分时扫描方式,测量流场静温为899 K,并结合吸收面积得到H2O的组分浓度20.7%.根据安装在流场上游和下游成60的两条光路,测量流场速度为1 205 m/s,结合壁面压力传感器,测量流场的质量流量为1 500.49 g/s,较真实值偏差为5.23%.TDLAS测量系统实现了对超声速气流多参数快速线测量.     

基于卡尔曼滤波的激光光谱CO2监测算法研究

目的:为了进一步抑制光谱干扰对可调谐二极管激光吸收光谱技术测量结果的影响.方法:基于搭建的可调谐激光光谱技术气体监测系统,对CO2标准气体进行了实验分析.在最小二乘法的基础上,提出了采用卡尔曼滤波算法进行建模并预测的方法,并以此预测了CO2气体的浓度.结果:与采用卡尔曼滤波算法前相比,预测值和参考值的相关系数由0.9961增大到0.9999,预测均方根误差由0.1％减小至0.0034％.结论:该方法用于TDLAS技术中,可以实现气体的准确测量.     

基于激光吸收光谱天然气脱硫中H2S检测系统研究

硫化氢气体浓度的连续监测是脱硫装置中必不可少的部分。提出了一种基于激光吸收光谱技术的天然气脱硫H2S测量系统设计方案,为满足现场高灵敏检测的要求,研制了紧凑型多次反射Herriot气体吸收池模块放置在脱硫塔现场,采用单模光纤传输激光和光电探测器信号直接远距离传输至控制室处理的方式,使得系统具有本质安全的特征。系统在胜利油田某集气站脱硫塔进行了现场检测,结果表明,检测下限为300 ppb,运行稳定可靠,满足天然气脱硫H₂S检测的需要。     

基于光纤腔衰荡光谱的浓度和温度测量

为了提高浓度和温度测量的灵敏度和稳定性,采用时域分析法监测光纤系统中的光损耗,研制了基于光纤环形腔衰荡光谱的传感系统。基于该系统对浓度和温度进行传感测量实验,分析了错位传感结构的参量选择,并研究了空载时腔内信号放大对脉冲强度和脉冲数量的影响。结果表明,当干涉长度L和错位量D分别为4cm和3.75μm时,干涉效果最优;脉冲强度是无腔内放大时的4倍且脉冲数量更多;当蔗糖和葡萄糖溶液浓度为0.100g/mL~0.400g/mL时,浓度灵敏度为756.51μs/（g/mL）和909.07μs/（g/mL）,检测限为0.0014g/mL;当温度为30℃~200℃时,温度灵敏度为1.83μs/℃。该系统的设计和研究为浓度和温度的传感应用提供了有价值的指导。     

基于近红外吸收光谱的西林瓶内氧气残留浓度反演研究

利用一种基于760.88 nm处近红外吸收光谱的氧气浓度探测方法,可以实现开放环境中西林瓶内氧气残留浓度在灯检机上的原位、非接触测量检测。该方法采用基于TDLAS的波长调制光谱技术(WMS),在开放光路环境下利用主成分提取法(PCA)对WMS的二次谐波进行主特性提取,在抑制噪声的同时可降低数据量,提高了后期数据处理速度,然后利用遗传算法(GA)优化的BP神经网络建立浓度反演模型。实验结果证明:该方法相对利用半峰值面积的最小二乘拟合方法其平均相对误差从8.32%减少到1.12%,决定系数提升了8.86%,相比单独PCA-BP神经模型的平均相对误差从3.80%减少到1.12%,决定系数提升了2.81%,该方法有效地抑制了开放光路环境所致测量仪器的信号随机扰动,提高了西林瓶内氧气残留浓度检测的准确度和稳定性。     

利用超连续谱激光实现自由空间光通信

超连续谱光源具有丰富的带宽,是信号载体的优秀候选者。设计并搭建了利用超连续谱光源的空间无线光通信系统,讨论了超连续谱产生的条件以及输出光斑直径不同位置下的光谱。采用了电光调制方式对超连续谱光源进行调制,通过比较输入与输出的数字方波信号证明了电光调制进行超连续谱空间光通信的可行性。成功利用该系统演示了对原始图像信号的采集和显示,最后通过对接收端信号的整形放大恢复出了原始信号,实现了图像信号在4 m范围内的传输。实验结果表明:将超连续谱作为光信号载体,在空间大气信道条件下可以实现对图像信号进行无线传输。     

Optothermal spectroscopy of CH3CN by a waveguide CO2 laser: Atlas of absorption lines

An investigation of the absorption of CH₃CN at 63 lines of a tunable waveguide CO₂ laser has been performed using the optothermal technique.     

基于激光双吸收谱线的氨气温度测量研究

选择性催化还原(SCR)是燃煤发电中降低NOx排放使用最多的技术,化学还原反应中氨气(NH3)温度是闭环控制SCR过程的关键参数之一。提出了一种基于激光双吸收谱线的氨气温度测量方法,实现SCR过程化学反应温度实时监测。利用HITRAN08数据库,选取一对氨气的吸收谱线6605.1042 cm-1和6605.1901 cm-1,理论推导了两条吸收谱线的强度比与温度的关系。实验结果显示,在80～160 ℃温度范围内,温度测量的线性误差为0.89%(平均值),最大波动为3.5%,为下一步高温测量氨气浓度和温度测量奠定了基础。     

基于多模激光吸收光谱的CO浓度高灵敏度测量

为提高多模激光吸收光谱技术的探测灵敏度,采用1 570nm多模二极管激光器为光源,以程长为100m的离散镜片型多通池作为气体吸收池,将多模二极管激光关联光谱技术、波长调制技术和长程吸收技术相结合,建立了一套具有高检测灵敏度和高稳定性的气体分子光谱测量系统。实验中将多模激光分成两束,一束作为参考光通过已知目标气体浓度的参考池,另一束通过混有待测气体的测量池,测量光信号和参考光信号被同时探测和解调。通过计算待测气体和参考池气体之间二次谐波信号峰值高度之间的关系,反演出CO的浓度。利用该装置测量了CO气体在1 570nm附近的近红外吸收光谱。实验表明,CO浓度测量值与真实浓度值之间具有良好的线性关系,线性度为0.9995,平均偏差为1.19%,对CO的探测极限为37.3×10-6,对同一样品在30min内的30次连续测量的标准偏差为0.839%,表明了系统良好的稳定性。     

基于单片机控制的二氧化碳浓度测试计

基于CDM4161二氧化碳气体浓度测试模块以及ATtiny26单片机,提出了一种二氧化碳浓度测试计的设计方案。该方案具有硬件电路简单、成本低、可靠性高、测量准确等优点,具有较高的实用价值。     

基于单片机控制的二氧化碳浓度测试计

基于CDM4161二氧化碳气体浓度测试模块以及ATtiny26单片机,提出了一种二氧化碳浓度测试计的设计方案.该方案具有硬件电路简单、成本低、可靠性高、测量准确等优点.具有较高的实用价值.     

Wavelet-denoising technique in near-infrared methane detection based on tunable diode laser absorption spectroscopy

A novel wavelet denoising （WD） assisted wavelength modulation technique is proposed for improving near-infrared de- tection performance on methane concentration based on tunable diode laser absorption spectroscopy （TDLAS）. Due to the ability of multi-level analytical resolutions both in time- and frequency-domains, the noise contained in the differen- tial signal is greatly suppressed. Sensor mechanical part, optical part and electrical part are integrated, and a portable detection device is finally developed. Theory and formulations of the WD-assisted wavelength modulation technique are presented, and experiments are carried out to prove the normal function on the extraction of the second harmonic （2j） signal from severely polluted differential signal by using the technique. By virtue of WD＇s suppression on noises, the sensing characteristics on CH4 concentration are improved, and the limit of detection （LOD） is decreased from 4× 10-6 （without WD processing） to 10-6. The proposed technique can also be used for the measurement on the concentration of other gases with corresponding near-infrared distributed feedback lasers.     

移相自平衡激光吸收光谱技术的研究

为了提高可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)直接吸收技术的检测灵敏度,解决自平衡探测技术需要两条环境接近的光路而造成的适用性差的问题。采用了一种移相自平衡吸收光谱技术,该技术将信号经过滤波、放大和移相后,两个相差180的信号经过反演就可提取出吸收信号,再对吸收信号及代表光强的直流分量信号进行数据处理便可测得气体浓度。分析显示移相自平衡吸收法能解决自平衡吸收法不能适用于同光路检测的原理性缺陷。结果表明,移相自平衡吸收光谱技术对信号的微小变化具有较高的灵敏度,信噪比也比直接吸收法提高了8倍～9倍,更适用于开放光路情况下的气体探测。为TDLAS在长距离气体检测领域提供了一个有效的高灵敏度探测手段,具有广泛的应用前景。     

基于半导体激光器的人血清蛋白浓度测量

为了对人标准血清总蛋白浓度进行定量测定,提出了一种以蓝紫光半导体激光器为激励光源、以四羧基金属酞菁锌为光谱探针,采用共振瑞利散射法检测蛋白质的新方法。该方法是将人标准血清总蛋白和酞菁锌溶液相结合,当激光光源照射到样品池中的混合液时,将激发出强烈的共振瑞利散射荧光信号,根据信号强度的强弱,计算血清蛋白浓度的大小。结果表明,由于采用了辐射波长位于最佳激励波长范围内的单色辐射光源(405nm)的蓝紫光半导体激光器作为激励光源,可在90°的接收方向接收到475nm的散射增强光;根据数字示波器显示的探测器散射信号,可得出电压的峰峰值,其体现了荧光的大小,从而可以进一步计算出血清蛋白的浓度。