基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的水汽测温研究

采用可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)的波长调制技术,实现气体温度的测量。通过波长调制的原理测量温度,考虑到H2O在大气中、工业生产中普遍存在的优势,选择H2O在1397nm附近谱线对,分别测量了谱线对在400℃、600℃、800℃、1000℃、1100℃5个温度测量点的二次谐波信号,通过分析二次谐波信号的峰—峰比值与温度的关系,获得温度测量值。实验结果表明,在400~1100℃温度范围内,系统测量的温度误差最大值不超过0.113%。     

基于TDLAS的二氧化碳浓度检测系统及压强补偿研究

在利用可调谐二极管激光吸收光谱技术测量二氧化碳气体浓度的过程中,气体压强的变化会对吸收谱线展宽、波长调制系数和二次谐波信号幅值产生影响。基于可调谐二极管激光吸收光谱技术,在不同的压强下利用二次谐波峰峰值和一次谐波平均值测量二氧化碳气体的浓度,通过压强补偿抑制气室内压强变化所带来的测量误差。实验结果表明:利用压力补偿后系统的测量误差在2%以内,可以有效地抑制气体压强变化的影响,提高二氧化碳气体浓度测量的精度。     

冲压发动机羽流温度 TDLAS 在线测量系统

为实现碳氢燃料冲压发动机羽流温度在线测量,以H_2O分子为目标组分,通过分子光谱仿真计算优选(7 444.352+7 444.371) cm~(-1)-(7 185.586 5+7 185.597 3) cm~(-1)谱线对,采用扫描波长直接吸收光谱-时分复用(SDAS-TDM)策略设计了用于碳氢燃料冲压发动机羽流参数测量的可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)系统,并利用预混平面火焰炉验证了该系统测温精度,结果显示采用此系统对预混平面火焰炉高度1 cm处火焰温度测量结果与标准参考值相对偏差均在15%之内。在此基础上,将该系统应用于碳氢燃料冲压发动机羽流参数测量,通过交替调制1 392 nm与1 343 nm半导体激光器,测量调制激光经待测区域后的光强衰减信号,获得H_2O分子在(7 444.352+7 444.371) cm~(-1)和(7 185.597+7 185.597 3) cm~(-1)谱线吸收光谱,通过双线技术实现了发动机羽流温度在线测量,为碳氢燃料冲压发动机燃烧组织与性能评估提供重要参考。     

基于激光吸收光谱的SF_6/N_2混合气分解产物同时检测

针对SF_6分解气中H_2S、CO、HF等3种气体进行在线监测,研制基于激光吸收光谱的SF_6分解气在线监测装置,提出采用时分复用的方案实现多组分气体同时测量,对激光器的波长参数进行分析并测试。针对近红外波段CO和H_2S气体吸收谱线弱的问题,提出独立放大电路方案,研制样机并通入混合组分气体进行验证。根据获得二次谐波曲线和浓度随时间变化曲线表明,该系统目前可以实现的检测限为CO 10 ppm,H_2S 4 ppm,HF 1 ppm,可以满足高灵敏度SF_6分解气在线监测和故障预警需求。     

基于TDLAS技术的激光氧分析仪在线标定方法研究

基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的激光氧分析仪,可以实现原位测量方式对样气中的氧气含量进行快速检测。但是随着仪器长时间的使用,由于激光器、光电检测器及硬件电路等方面的原因造成仪器测量结果出现漂移,此时需要对仪器进行标定。目前,激光氧分析仪标定方式采用离线标定方式,较费时费力。通过波长扫描技术同时扫描到谱线不重合且距离较近的被测气体16 O2和参比气体18 O2的吸收谱线,对氧气同位素18 O2信号在线检测,从而实现对被测气体16 O2的在线标定。通过测试表明该在线标定方法准确度可以达到≤±0.5%F.S,能够满足实际应用。     

火焰原子吸收光谱法中铁对微量锌测定的光谱干扰研究

在利用火焰原子吸收光谱法测定微量Zn时,Fe在Zn吸收波长215．856nm处有显著的谱线重叠干扰。本文研究了火焰原子吸收光谱法中,Fe共存时对微量Zn测定的干扰以及校正情况。实验考察不同校正方法（塞曼效应校正法、氘灯校正法、Smith-Hieftje校正法）对Fe、Zn干扰的校正情况,这些方法都不能有效消除Fe对Zn的干扰。通过利用高分辨连续光源原子吸收光谱法对Fe、Zn的干扰情况研究表明,在一定的Fe浓度范围内（0-700mg·L^-1）利用高分辨连续光源原子吸收光谱法可以进行多元素顺序测定的特点,及线阵CCD检测器对吸收谱线轮廓具有的可视化的性能,通过联立方程组进行数据处理可以有效的校正Fe对微量Zn元素测定的吸收谱线重叠干扰。这为准确测定不同含Fe（浓度小于700mg·L^-1时）样品中微量Zn的浓度提供一个切实可行的方法．     

应用经验模态分解的近红外CO2浓度反演系统

为了监测CO2的含量,选取CO2气体在1 580 nm附近的近红外光谱吸收谱线,使用中心波长为1 580 nm的分布反馈式激光器和光程为20 m的Herriott气室,基于可调谐二极管激光吸收光谱技术开展0.03％～0.08％,2％～20％浓度的CO2检测实验.用数据采集卡采集原始二次谐波信号(raw2f信号),并将经...     

全固态复合内腔和频570nm连续波黄光激光器

研制了全固态连续波570nm黄光激光器,黄激光分别由两片Nd:YAG的1444nm和946nm谱线非线性和频产生,两条谱线分别对应各自的晶体能级跃迁4F3/2-4I15/2和4F3/2-4I9/2。实验采用复合腔结构,利用KTP晶体II类临界相位进行内腔和频。测量了570nm黄激光输出功率随泵浦功率的变化,结果表明,当注入到两片Nd:YAG晶体的泵浦功率分别为24W和15W时,获得了560mW的连续波570nm黄激光输出,其4h功率稳定度优于±2.8%。在输出功率为560mW时,采用光束质量分析仪测量了激光输出光斑质量,结果显示,在570nm最大和频激光输出时的光束质量因子M2为2.3。所提出的复合内腔和频技术可为新波长激光器的发展提供参考。     

小型气体电离室的设计和测试研究

设计并给出了用于同步辐射光束线波长标定和分辨本领测量的小型气体电离室。研究了厚度约为1 μm的聚丙烯膜窗和厚度为0.1 μm的Si₃N₄膜窗的真空隔离性能和透光性能,给出了实验数据。实验结果显示:两种膜窗均能承受100 Pa的压力,聚丙烯窗在5 nm波长的透过率约为80％,Si₃N₄窗在7 nm波长的透过率为15％。此外,给出了用该电离室调试表面物理和磁性圆二色两条光束线的气体谱线。结果表明,该可移动小型气体电离室的性能达到了设计和使用要求。     

基于高精细腔技术的红外吸收光谱型气体传感器

对红外吸收型气体传感器的工作原理进行了分析,设计了一种基于高精细腔技术的红外吸收光谱型气体传感器.并对设计的传感器进行了实验验证,结果显示在通入浓度为20 ppm的H_2S气体时能达到40的信噪比,测量结果准确;在低浓度时测量有一定的偏差.测量的浓度波动小于3 ppm.     

差分吸收NO_2激光雷达波长漂移和能量波动对浓度反演的影响

为评估差分吸收二氧化氮激光雷达中激光器的稳定性对反演浓度的影响,以NO_2的吸收谱和激光雷达方程为基础,分析了波长漂移和能量波动对距离分辨差分吸收激光雷达浓度反演带来的相对误差。采用两台Nd:YAG激光器的354.7nm波长分别泵浦两台染料激光器的方式,产生差分吸收探测所需的两个波长λon(448.10nm)和λoff(446.80nm),搭建探测大气NO_2实验系统,并就波长漂移和能量波动对NO_2浓度反演影响进行了实验验证。实验结果表明:在没有稳频条件下,当λon和λoff波长漂移≤0.005nm时,引起的浓度相对误差为≤3%;能量波动对反演浓度没有影响,但能量降低减小探测距离,当能量下降≤5%时,探测距离≤100m,实验结果与理论计算基本一致。最后,开展了大气NO_2浓度实验观测,获得实验期间水平及垂直高度0.5~3km内NO_2浓度的分布廓线,系统稳定可靠。本方法为实用化NO_2差分吸收激光雷达的设计及应用提供了理论依据及技术支持。     

基于NDIR开放光路CO_2浓度测量的标定方法研究

针对非分散红外(non-dispersive infrared,NDIR)开放光路CO_2/H_2O分析仪测量CO_2浓度时,压强、气体间交叉干扰和温度对测量结果的影响,介绍了一种修正这些影响的方法,分别分析压强、气体间交叉干扰和温度对CO_2吸光度的影响,然后,分别进行校准修正,并利用校准后的CO_2吸光度与不同浓度CO_2标准气体进行多阶拟合,分析比较后,选择最优拟合。校准后的仪器通过测量CO_2标准气体,相对误差在0.4%～2.1%之间,稳定度为0.31%。实验结果表明提出的基于NDIR开放光路CO_2浓度测量的标定方法是可行的。     

DOAS方法在线测量污染气体浓度的温度与非线性补偿

差分吸收光谱法(DOAS)应用于固定污染源烟气排放监测时,烟气温度及气体的非线性吸收对准确测量气体浓度影响较大,必须对温度及非线性吸收的影响进行修正.文中分别提出了新的温度补偿及新的非线性补偿方法,即将不同温度下气体的分子数密度与20℃下气体的分子数密度之比与温度的对应关系拟合出温度补偿函数,将气体实际浓度所对应的分子数密度与反演结果所对应的分子数密度之比与反演结果之间的对应关系拟合成非线性补偿函数,利用这两个补偿函数对浓度反演结果进行补偿.对14 914 ms/m3的SO2,气体在70～170℃温度范围内的实验研究结果表明,新的温度补偿及非线性补偿函数能很好的补偿温度及非线性的影响,具有较高的气体浓度反演精度.     

基于8.309μm QCL的硫化氢/甲烷开路式检测方法研究

H₂S,CH₄多组分气体浓度测量技术的研究对石油石化行业的安全生产有重要意义。基于中红外TDLAS技术,选用中心波长为8.309μm的量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)为检测光源,搭建30 m长距离的遥测实验系统,使用WMS波长调制法对H₂S,CH₄气体的吸收谱线进行连续调谐与扫描,并对高频正弦载波进行了最优深化调制,实现了H₂S,CH₄多组分气体的同时测量。实验将H2S与5%体积分数的高浓度水汽进行混合测量,分析并验证了该波段的水汽吸收难以对测量造成交叉干扰的优良特性,并利用Savitzky-Golay平滑滤波器提高了检测信号的信噪比。通过遥测实验,分析了15 m,30 m不同遥测距离对检测信号的影响,并利用增加积分时间与计算信噪比的方法,得到了128.75×10^-9 m的遥测最低限。最后,Allan方差的计算结果表明,当积分时间为183 s,142 s时,系统对H₂S,CH<...     

一种可直接脉冲调制的MEMS红外激发源

针对红外气体探测器对光源的要求,结合现有MEMS(微机电系统)工艺及与其兼容的IC工艺,研制了一种可用于红外多气体传感器的脉冲式MEMS辐射光源。该光源主要有Si₃N₄/SiO₂的复合支撑层和铂金发热电极组成,可以产生相当于黑体300~800 K的红外辐射,在温度T＝1 106 K时有λ=2.62 μm峰值辐射波长;并且光源有足够强的辐射强度和2~15 μm红外辐射波段,能够满足大部分气体在2~14 μm波长范围内特征的吸收谱线的要求。经过对辐射元的动态测量可知,辐射源的动态调制频率可达到50 Hz,完全能够满足气体测量对所需红外光源调制频率的要求。     

分布式光纤瓦斯气体浓度测量的研究

利用光纤布拉格光栅的梳状窄带滤波特性,通过检测瓦斯的特征吸收谱线的方法来监测瓦斯气体的浓度,并且利用光纤光栅的空分复用和波分复用特性,实现多点分布式监测.通过多波长同时探测的方法提高系统分辨能力和精度.测量系统瓦斯气体的浓度测量范围为0～5%,测量精度大于0.1%,监测距离为50km.     

煤热解中痕量乙烯在线激光吸收光谱检测

为了实现煤热解过程中痕量乙烯(C2H4)标识气体的在线识别与检测,结合波长调制与长光程技术,搭建了煤热解乙烯在线激光吸收光谱检测装置。采用中心波长为1 620 nm通信波段DFB激光器作为激光光源,有效光程为15 m的多光程吸收池为样品吸收池,利用SR830进行波长解调,通过二次谐波信号反演得到乙烯浓度。使用高精度流量控制器,利用高纯氮气稀释乙烯配比,制备得到10×10^-6到90×10^-6的标准乙烯样气,其线性拟合的相关系数R²为0.998 9;对浓度为20×10^-6的乙烯进行连续4 000 s的Allan方差分析,实验结果表明,检测极限为121×10^-9。为了研究不同气体氛围下煤热解过程中乙烯浓度的演化规律,控制气体流速为150 mL/min,分别在氮气、空气以及合成空气中对乙烯标识气体的释放过程进行热重分析实验。研究发现,当温度小于500℃时,3种气体环境下乙烯释放量较少且基本一致,当温度在500～700℃时,氮气环境中乙烯释放量要远高于其他两种气体,但空气中乙烯释放的增速...     

绝对光谱辐照度仪的波长定标

为了提高太阳绝对光谱辐照度仪的波长定标精度,提出了用线阵CCD作为位置传感器进行波长定标的方案,完成了0.4～1.0μm波长的定标.根据仪器的安装结构和Fèry棱镜的参数,描述了波长与CCD像元的对应关系,制定了定标与计算方法,并介绍了器件的选型及线阵CCD的时序驱动和输出信号的处理.在室内波长定标中,利用可调谐激光器作为光源,确定了CCD像元与中心波长的对应关系,并通过光谱扫描进行了验证.在室外开展了太阳观测实验,并与可见-短波红外光谱仪做了对比.实验结果表明,波长定位精度优于0.5 nm,测量的光谱曲线吸收峰与大气典型吸收谱线吻合,同时验证了波长定标方案的可行性与CCD电子学设计的合理性.     

痕量N2O气体检测系统的设计与实现

建立了基于光谱吸收技术的检测系统,用于快速、准确地测量N2O气体浓度。首先,从理论上证明了二次谐波、一次谐波与N2O气体浓度之间的关系;然后,设计了痕量N2O气体浓度检测系统,利用光源调制、锁相放大等技术,实现了强杂波背景下气体浓度弱信号的解析;最后,实验测试了系统的检测性能、抗干扰能力及检测结果的可重复性。测试结果表明,系统能够在0～1%有效检测N2O气体浓度,检测下限为5.0×10-5,相对检测误差为0.11%,检测结果线性方程为Y=192.699 09 X-0.006 24,线性度为0.998 07。多次检测实验表明,系统相对标准偏差为0.137%,CO2、O2、水蒸气等常见气体对检测结果无影响。改变激光器的中心波长,该方法亦可用于CO2,CH4等其它温室气体的检测。     

超光谱成像仪的精细光谱定标

为了精细标定棱镜色散超光谱成像仪1024×80光谱像元的中心波长和响应带宽,建立了一套光谱定标装置,提出了实现1nm光谱定标精度的定标方法。首先,介绍了产生谱线弯曲与谱线倾斜的原因,确定了精细光谱定标的方法和数据处理算法;然后,利用光谱定标装置测定了全部光谱响应像元的离散单色光响应值,利用高斯方程拟合了相对光谱响应曲线;最后,建立了中心波长矩阵表和带宽矩阵表,采用多项式拟合算法确定了空间视场像元的色散方程和光谱通道谱线弯曲方程,实验测定了温度变化谱线漂移结果。另外,还对光谱定标精度对辐射定标精度的影响进行了分析。光谱定标结果表明:超光谱成像仪的光谱定标精度达到了±1nm,各谱段带宽平均为8.75nm;色散方程及谱线弯曲与设计结果相符,谱线弯曲值为14～19nm,平均值为17nm;1nm的定标精度对辐射定标精度的影响分别小于1%(3000K黑体)和0.25%(6000K黑体),满足超光谱成像仪1nm光谱定标精度的要求。