可调谐半导体激光光谱火灾气体探测系统

基于火灾特征气体检测的火灾报警技术被认为是一种有着广阔前景的火灾早期探测手段,特别是利用光学吸收方法的火灾气体探测技术,除了能够提供高灵敏、低误报率的火灾报警外,还能够实现火灾的早期预警.提出了基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的火灾气体高灵敏实时检测系统,采用光通信波段光纤耦合近红外分布反馈式(DFB)半导体激光器作为光源,利用两台激光器结合调制频率多路技术实现了火灾标志性气体CO,CO2的同时检测,对CO的最低检测限约为0.00375 mg/m3(3σ),能够满足火灾气体现场检测的需要.     

可调谐近红外半导体激光光谱仪的研究

为满足高灵敏度探测的需要,研制了可调谐近红外半导体激光光谱仪.本光谱仪集成了光学、机械、电子、计算机,实现了高度的集成,初步的实验结果表明,其可满足实验室的实验需要和外场实验的需要.本光谱仪可以用于汽车尾气排放、泄漏气体探测、燃烧过程控制、温室气体测量和大气测量.     

可调谐半导体激光吸收光谱学测量甲烷的研究

甲烷是天然气和矿井瓦斯等多种气体燃料的主要成分,由于其易燃易爆的特性,瓦斯爆炸一直困扰着天然气站和煤矿的安全生产.可调谐半导体激光光谱(TDLAS)技术是近年来发展起来的一种新型的气体检测方法.它具有灵敏度高、精度高、选择性强、响应快速等突出特点.波长调制光谱(WMS)技术是TDLAS技术中一种重要技术.利用WMS技术检测在大气压下、浓度从0.04%至10%的甲烷气体的二次谐波(2f)信号,并证明了在该浓度范围内2f信号幅值正比于甲烷的浓度,为工业中甲烷气体的浓度监测提供了一种新的检测方法,并为集成甲烷监测仪器提供了理论及实验的依据.     

可调谐半导体激光波长调制光谱信号分析

波长调制光谱是一种高灵敏光谱检测技术,针对典型应用条件的精确信号分析模型可以为光谱检测系统的设计和优化提供依据.在Fourier分析的基础上给出了可调谐半导体激光波长调制光谱技术的理论描述.分析了可调谐半导体激光正弦频率调制情况下WMS各次谐波信号特征,研究了激光幅度调制对谐波信号的影响,以及由系统光学表面标准具效应引入的背景噪声与量化描述.分析方法不受调制幅度的限制,适合于不同条件下波长调制光谱分析和背景信号的定量分析.     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的CO检测仪设计

为了能够实时检测出矿井下一氧化碳(CO)浓度,减少煤矿中毒事件,设计了采用可调谐半导体激光器的CO检测仪。采用波长调制光谱(WMS)与可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)相结合的气体检测技术,将检测信号从低频区域搬到高频区域,然后采用相关技术完成谐波信号的提取,从而检测出CO浓度。实验结果表明,检测下限达到12ppm,能够检测矿井下CO浓度。     

光谱线宽对可调谐激光调制吸收光谱技术测量CO2浓度的影响

在利用可调谐激光调制吸收光谱技术进行测量时,气体参量改变将导致线宽变化,从而影响二次谐波信号峰值的大小.针对于Lorentz线型,给出了线宽变化对二次谐波峰值影响的理论分析及利用二次谐波信号峰谷比值进行修正的方法.在10 cm的吸收池内利用1578.22 nm处的吸收谱线对CO2进行了测晕,在不同调制幅度下验证了不同工况中线宽对二次谐波信号的影响.结果表明,利用二次谐波峰谷比值确定调制系数进行修正可有效地减小由于工况改变时线宽变化对测量带来的影响,当压力由1.0×105Pa变化至1.5×105Pa时,修正前后的测量相对误差分别为34.3%与1.8%;当气体体积分数在20%～100%变化时,修正前后的平均误差分别为12.8%与1.8%.     

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的甲烷/空气预混平焰炉温度测量

燃烧场温度的测量对于燃烧诊断具有重要意义。开展了基于可调谐半导体激光吸收光谱 (Tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)的在 线测温方法研究,基于双光束分时扫描技术,实现了双激光器协同工作与燃烧产物水汽 7154.35 cm$^{-1}$ 和7467.77 cm$^{-1}$两条吸收谱线的同时测量,并利用双线积分吸光度比值关系完成温度的精确反演, 满足燃烧场温度在线检测应用需要。开展了针对甲烷/空气预混平焰炉火焰温度的实时检测实验研究, 并与热电偶进行了测温对比分析,两种方法的测量具有较好的一致性,相对误差小于3.8\%,验证 了TDLAS技术对燃烧场温度非侵入式快速测量的可行性和可靠性。     

可调谐二极管激光吸收光谱技术测量风洞流速

基于对水蒸气的吸收谱线在超音速流场的多普勒效应,结合HITRAN数据库,选取适合当前环境的吸收谱线7181.1558 cm-1,结合超音速风洞装置建立起一套基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的实验装置,测量对应频移,分析反演出流场速度,实验结果表明,在高速环境下,系统测量流速为563.06 m/s,线性误差为5.09%,效果良好,从而为对激波管等高速脉冲设备的进一步测量实验打下了良好基础。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱对CO2浓度的测量

CO₂作为大气中主要的温室气体,其全球变暖影响比例因素为60%,对全球生态系统和社会发展带来严重影响,因此开展CO₂的监测非常必要。基于可调谐半导体激光吸收光谱原理,在室温下通过扫描DFB激光器波长,得到CO₂位于2004 nm的直接吸收光谱,根据Beer-Lambert定律,反演出CO₂浓度。为了验证实验的精度,同时与基于非分散红外原理的生态通量的标准仪器作对比,结果显示两者的测量精确度相当,可以达到0.2 ppm。这些研究为今后的仪器小型化和外场CO₂长时间监测提供了基础。     

基于TDLAS一次谐波的二氧化碳温度测量

为了实现二氧化碳气体温度的实时、非接触测量,研究基于可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)的温度测量方法。根据单激光器的电流调谐特性和谱线对的选择标准,选取6241.402828 cm-1、6242.672190 cm-1处的两条对温度有不同依赖关系的二氧化碳谱线进行分析。针对二次谐波幅度法和一、二次谐波幅度比值法所存在的问题,提出应用一次谐波信号的TDLAS温度测量方案。首先测量两吸收谱线的一次谐波峰峰值和平均值,以峰峰值和平均值的比值作为单吸收线的输出,再以两吸收线输出值之比来实现气体温度的测量。实验结果表明:在200~1000K范围内,气体温度测量误差小于30 K。该温度测量方案可消除光强波动对温度测量产生的影响,且仅需检测一次谐波信号,系统结构简单,性能稳定,可以满足二氧化碳气体温度实时、非接触测量的需要。     

基于TDLAS技术的空气气压精确测量

基于可调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术,通 过测量水汽吸收线的展宽,实现了气体压力的精确测量。实验中光源被 分为两束,一束通过压力可调的样品池获得吸收光谱数据,另一束通过FP标准具用以波 长定标。选取 水汽在7243cm－1附近的两条吸收线, 利用测得的10～20kPa之间的水汽吸收线压力展宽值对 HITRAN数据库中的空气展宽系数进行校正。实时测量了参考气压值从30～100kPa时的 水汽吸收线压力展宽,计算得到气压值并与参考气压进行比较,不同参考压力下利用水汽7243.075cm－1 和7242.370cm－1处吸收峰计算结果与参考气压值的偏差分别分布于0.9%附近和2.0%附近,两条吸收谱线 测量结果波动均小于0.2%。实验测量结果与参考值几乎一致,且同一条件不同次测量结果波 动较小,证明了TDLAS技术应用于实时环境气压精确快速测量的可行性。     

调谐二极管激光吸收光谱技术中的线形误差与校正

在调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术中,谱线线形的检测精度受激光器调谐非线性和调制幅度的影响,本文针对近红外分布反馈(DFB)激光器,通过激光器的调谐特性曲线定量分析了调谐非线性和调制幅度对吸收线形的影响,提出了调谐非线性校正和调制幅度补偿方法,并通过实验验证了方法的有效性.实验结果表明,调谐非线性校正可以提高谱...     

电调频半导体激光绝对测量干涉仪

分析了电调频半导体激光干涉仪的长度绝对测量原理,介绍了干涉仪的基本结构。实验结果表明,该干涉仪的绝对测量范围为0.3～1.5m,测量误差为0.1～0.3mm。     

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。     

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.     

激光吸收光谱自适应滤波处理算法研究

研究了激光吸收光谱自适应滤波处理算法,提出了一种改进的激光吸收光谱测量系统方案,激光器发射的激光经分束器分成三路,分别构成测量通道、定标通道和参考通道,数据采集电路同步获取三个通道信号数据,定标通道数据用于波长锁定和浓度定标,参考通道信号数据包含了与测量通道相关的噪声,以此为基础构建了自适应噪声抵消器,降低了噪声对测量通道的影响,提高了气体浓度反演的精度。     

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。     

用于Rb蒸气激光泵浦的可调谐窄线宽半导体激光器

由于Rb蒸气的吸收峰随缓冲气体气压存在漂移,利用体布拉格光栅(VBG)实现线宽压窄的同时,实现泵浦半导体激光器中心波长的可调谐也是十分必要的。本文采用国内封装的半导体激光阵列(LDA),利用VBG的温度特性,实现了线宽不大于0.3nm的同时,激光器中心波长从779.89nm到780.35nm可调谐。该激光器可以通过叠阵方式用于Rb蒸气的泵浦和激励。     

基于TDLAS的气体温度测量

介绍了基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)的气体温度测量原理,选择了1对O2吸收谱线13 163.78 cm-1和13 164.18 cm-1,理论计算了此谱线对线强比值R与温度的关系,在搭建的高温实验装置上实现了O2温度和浓度的同时测量,并分析了压力对温度测量的影响。实验结果表明:在823~1 323 K内,温度测量的线性误差为0.65%。最大波动为±15 K,压力变化对温度测量的影响可忽略不计。