Design of mini-multi-gas monitoring system based on IR absorption

In this paper, a novel non-dispersive infrared ray (IR) gas detection system is described. Conventional devices typically include several primary components: a broadband source (usually an incandescent filament), a rotating chopper shutter, a narrow-band filter, a sample tube and a detector. But we mainly use the mini-multi-channel detector, electrical modulation means and mini-gas-cell structure. To solve the problems of gas accidents in coal mines, and for family safety that results from using gas, this new IR detection system with integration, miniaturization and non-moving parts has been developed. It is based on the principle that certain gases absorb infrared radiation at specific (and often unique) wavelengths. The infrared detection optics principle used in developing this system is mainly analyzed. The idea of multi-gas detection is introduced and guided through the analysis of the single-gas detection. Through researching the design of cell structure, a cell with integration and miniaturization has been devised. By taking a single-chip microcomputer (SCM) as intelligence handling, the functional block diagram of a gas detection system is designed with the analyzing and devising of its hardware and software system. The way of data transmission on a controller area network (CAN) bus and wireless data transmission mode is explained. This system has reached the technology requirement of lower power consumption, mini-volume, wide measure range, and is able to realize multi-gas detection.     

集成式光读出FPA红外成像系统设计

本文对读出原理、像差要求、图谱质量进行深入研究,进而对读出技术进行深度整合与简化,实现光读出FPA红外成像系统小型化、轻量化、集成化。首先,从FPA的热-机械效应出发,介绍了光读出FPA红外成像系统的工作原理;然后,针对通常采用的光读出FPA红外成像系统体积大、重量大、结构复杂缺陷,提出了高集成度的新型光读出系统;接着,在分析讨论读出光路像差容限、特点的基础上,对以异形棱镜为核心元件的光读出系统进行了具体的光学仿真设计;最后,设计了集光、机、电、软技术的集成式光读出FPA红外成像系统。对系统样机测试结果表明:在确保成像性能的前提下,光读出FPA红外成像系统的体积减小到175 mm×83 mm×105 mm。以异形棱镜为核心元件的光读出技术,在满足成像精度和灵敏度的前提下,可减小读出系统的复杂程度,有效降低了光读出FPA红外成像系统的体积和重量,从而促进光读出FPA成像系统的工业化应用。     

基于红外光谱技术的混合气体检测系统概述

为了给从事红外混合气体检测领域的研究人员提供一定的借鉴与参考,针对红外混合气体检测系统中的光学复用结构以及检测方法进行了详细评述。目前,以量子级联激光器(QCL)、带间级联激光器(ICL)为代表的相干光源已逐渐取代热辐射红外光源、红外发光二极管(LED)等传统非相干光源,成为红外混合气体检测中的主流光源。相应地,具有超高探测度和极短响应时间的红外光探测器也逐渐超越以往的红外热探测器,占据红外探测器领域的主导地位。基于“复用思想”的光学复用结构则是红外混合气体检测系统的核心,主要包括单光源复用检测结构和多光源复用检测结构。其中,单光源复用检测结构以其体积小、集成度高等优点成为构建便携式混合气体检测系统的重要选择;而多光源复用检测结构是时分复用、频分复用、波分复用等思想的具体化,并凭借其较宽的光谱覆盖范围、较高的光谱分辨率等优势成为当前混合气体检测系统中的主导结构。应用于红外混合气体检测的检测方法主要有非分光红外(NDIR)光谱技术、波长/频率调制光谱技术、腔增强光谱技术以及光声光谱技术等。研究人员可通过对红外混合气体检测系统各组成部分充分了解后,设计出实用的红外混合气体检测系统,对工农业生产、环境监测、生命科学等诸多领域都具有重要意义。     

小型集成三通道机抖激光陀螺数字式控制电路设计

针对军事和民用工程中亟待解决的捷联式机械抖动激光陀螺惯导的小型化、集成化和高精度问题,提出了一种以单块电路板实现对3个机械抖动激光陀螺进行数字式稳频控制、抖动控制、稳流控制、信号检测及脉冲计数的全功能小型机抖激光陀螺集成控制方案,设计了以DSP和FPGA为核心控制器的陀螺电路。试验结果表明,该集成控制电路能同时实现3路陀螺的自动控制,参数调整灵活方便,控制精确稳定,在实现小型化集成化的同时,提高了激光陀螺的输出精度,为捷联式机械抖动激光陀螺惯导的小型化、集成化和高精度奠定了基础,已在多个项目中获得工程应用,具有较高实用价值。     

大变倍比中波红外变焦系统的小型化设计

基于中波红外320240制冷型探测器,采用机械正组补偿方式,引入衍射光学元件（DOE）,并采用折叠光路,实现大变倍比中波红外变焦光学系统的小型化设计。利用变焦原理和Zemax光学设计软件给出系统结构参数,并对设计结果进行像质评价,对凸轮曲线求解等。设计与分析结果表明:系统使用6片透镜在3.7 m~4.8 m波段实现了18 mm~360 mm连续变焦,满足100 %冷光阑匹配,在空间频率16 lp/mm处MTF值均大于0.5。该系统具有大变倍比、变焦轨迹平滑等特点,可应用于机载光电侦察设备中。     

基于微机电系统红外光源的长光程气体检测

针对红外气体传感器对光源的要求,选用了一种宽波长、高调制频率、低功耗的小体积微机电系统(micro-electro-mechanic system, MEMS)红外光源作为辐射源,其各项性能均能很好的满足红外传感系统对于光源的要求。由于其面光源的朗伯辐射特性,整形之后的红外光数值孔径仍然很大,采用传统的长光程气室结构很难实现长光程从而提高系统的检测灵敏度。本文结合双波长单光路的差分检测方法,设计了一种基于积分球特性的吸收气室,有效地解决了MEMS红外光源在高灵敏度气体检测应用中难于实现长光程的问题;并运用光在传输过程中光通量守恒的原理,推导了此积分球吸收气室的等效光程,解决了积分球气室等效光程计算的难题;同时采用FPGA主控芯片对MEMS红外光源进行高频调制并处理探测器的输出信号,使得外围电路的设计更加简单、灵活。设计中,使用直径为5 cm的积分球吸收气室便可实现166.7 cm的等效光程,研究结果显示系统可测得的最小甲烷浓度达0.001×10-6,极大地提高了红外检测系统的灵敏度。     

电调制非分光红外瓦斯传感系统设计

基于气体红外光谱吸收原理,设计了一款电调制非分光技术的红外瓦斯传感器系统.该系统采用单光路双波长技术,以红外LED光源IRL715、防尘防水的吸收气室和热释电探测器件LIM-262组成光学探头,利用有源滤波和差分放大电路实现信号调理,采用二项式拟合瓦斯浓度-电压关系曲线,实现了对瓦斯浓度的精确探测.实验表明,该传感器能...     

基于共振型高灵敏度光声光谱技术探测痕量乙炔气体浓度

乙炔气体作为判断变压器运行状态的一种故障气体,其浓度的高低反映了变压器的运行状况,因此对其浓度的探测在变压器的维护中具有重要意义。为了准确探测变压器运行过程中产生的乙炔气体浓度,为变压器的维护提供技术参数,针对基于DFB激光器的共振型光声光谱技术痕量乙炔气体检测技术开展研究,对传统的光声光谱探测系统进行改进。根据光声光谱技术的理论可知,光声信号的强度与入射激光的功率成正比,所以在光声池的出射窗口采用一个平面反射镜将红外光再次反射到光声池中以增加入射光功率,增强光声信号强度,进一步提高了光声系统的探测灵敏度。通过一定浓度的乙炔气体在不同调制频率和不同调制深度下光声信号强度的变化,确定光声探测系统的最佳调制频率和最佳调制深度为767 Hz和0.3 mV。利用不同浓度乙炔气体对系统进行标定,然后采用最小二乘法对光声信号与气体浓度进行拟合,二者具有很好的线性度。通过Allan方差计算可知,系统在平均时间达到200 s时,能够达到最低探测极限浓度。实验表明,在一个大气压下,积分时间为10 ms时,改进后的共振型光声光谱探测系统对乙炔气体的最低探测极限浓度达到了0.3 μL·L-1。还将小波去噪技术引入到低浓度下乙炔气体的光声信号处理中,有效消除了低浓度气体光声信号中的噪声,提高了信噪比。设计的共振型光声光谱探测系统操作简单,最低探测浓度符合国标中对变压器维护过程中对乙炔气体的探测需求,在变压器维护领域具有广阔的应用前景。     

基于QCL的红外吸收光谱技术的研究进展

量子级联激光器作为一种新型的单极型半导体激光器,其峰值发射波长处于中红外波段（2.5~25 μm）,具有功率高、线宽窄、响应速率快等传统半导体激光器所没有的独特优势,且具有较高的探测灵敏度,非常适合中红外波段的气体分子的检测。可广泛应用于大气痕量气体、呼吸气体、燃烧气体、生化气体、机动车尾气、工业废气以及农药残留气体等低浓度气体的检测。因此,利用量子级联激光器对气体分子进行探测在非侵入式医学诊断、环境监测以及工农业生产等领域都具有十分重要的意义。自20世纪末量子级联激光器发明以来,室温激光器的性能得到了长足的进步,也出现了多种结构形式的量子级联激光器。这也使得量子级联激光器红外吸收光谱技术得到了很大的发展。事实上,很多光谱技术在量子级联激光器发明之前就已经得到了发展和应用,而利用量子级联激光器作为光源则在很大程度上扩展了可探测波段,也在一定程度上提高了探测极限。这其中就包括了直接吸收光谱技术、波长调制技术、腔衰荡光谱技术、腔增强吸收光谱技术以及光声光谱等。综述了国内外量子级联激光器进行红外吸收光谱技术的研究现状和发展趋势,分析了量子级联激光器红外吸收光谱技术在发展过程中所遇到的瓶颈以及后期得到的解决方案,比较详细地介绍了各种方法的原理、应用,并指出了在吸收光谱测量中的优缺点,同时对外场痕量气体探测作了简要总结。最后,对量子级联激光器红外吸收光谱技术在未来痕量气体探测上的应用和发展进行了展望,指出随着红外吸收光谱技术的快速发展,这些方法可以得到更有效的改进和发展,进而朝着高灵敏度、高集成度以及高时效方向发展。     

基于MEMS微镜的长波近红外光谱仪的设计与实现

为适应光谱仪微型化、集成化的发展趋势,详细分析了MEMS微镜应用于微型长波近红外光谱仪的方法和涉及的主要问题,例如分光系统的设计、MEMS微镜的选择、探测器与前置放大电路的设计等。并将50 Hz谐振频率、峰峰驱动电压为10V的MEMS微镜、高灵敏度的InGaAs单元探测器,结合立特罗式分光光路,设计和实现了900～2 055 nm波段的微型长波近红外光谱仪样机,其中1 000～1 965 nm谱段的光谱分辨率介于9.4～16 nm之间。采用MEMS扫描微镜技术后,一方面简化了光谱仪中的复杂机械结构,使尺寸可以更小;另一方面实现了单探测器的长波近红外光谱仪,与阵列长波近红外探测器光谱仪相比,成本有所降低。作为应用实例,此样机成功对纯水以及乙醇-水溶液的长波近红外光谱进行了测量,实现了乙醇-水溶液的浓度预测分析,其中本样机测量的纯水长波近红外光谱与文献相符。     

基于红外吸收光谱的瓦斯气体浓度检测技术

针对现有矿井瓦斯传感器的缺点,基于红外光谱吸收原理,采用差分吸收技术设计了红外瓦斯气体浓度探测系统.该系统采用单光路吸收气室和单光路双波长探测技术,利用差动放大电路为核心的微弱信号处理电路实现瓦斯浓度输出信号的检测,并采用线性关系式拟合瓦斯浓度和输出电压的关系曲线,实现了对瓦斯浓度的全量程精确探测.实验表明,该系统的测...     

近红外波段CO高灵敏检测的稳定性研究

本文采用中心波长1566.64 nm的DFB激光器, 结合光程长度为56.7 m 的多次反射池, 对不同浓度的CO气体进行了长时间测量, 分析了系统的稳定性和线性度. 通过计算Allan方差, 预测了在积分时间为30 s时, 系统检测极限为0.25 ppmv, 基本上实现了在近红外波段CO的高灵敏检测. 关键词： 可调谐半导体激光吸收光谱 多次反射池 CO检测 Allan方差     

Review on multi gas detector using infrared spectral absorption technology

To provide some references for researchers engaged in infrared multi gas detection, this study introduced the infrared multi gas detection system thoroughly from infrared light source, infrared detector, optical multiplexing structure, and detection method. Currently, the coherent source represented by quantum cascade laser has replaced the traditional incoherent source like thermal radiant infrared light source and became the dominant light source in infrared multi gas detection. Accordingly, the infrared photodetector is widely used. The optical multiplexing structure based on the “multiplexing thought” is the core of infrared multi gas detection system. It mainly includes the single-source multiplex detection structure and multi-source multiplexing detection structure. Nondispersive infrared spectroscopy, long optical distance spectroscopy, wavelength/frequency modulation spectroscopy, cavity enhancement spectroscopy, and photoacoustic spectroscopy are major detection methods used in the infrared multi gas detection. This has important significance to many fields, such as industrial and agriculture production, environmental monitoring, life science, etc.     

变压器油中多组分气体高精度在线检测研究

针对多组分气体测量精度低、交叉影响等问题,建立了一种高精度多气体网络式在线检测系统。系统中采用窄线宽激光器作为光源,设计了新型长光程气室,通过单一高频三角信号调制激光光谱,利用谐波检测技术和光学时分、空分复用技术相结合,实现了三种气体(CO,CH₄,C₂H₂)的同时多点高精度在线测量。实验结果表明,多气体浓度测量最大相对误差小于4%,每种气体响应时间均小于15 s。该系统多气体检测精度高、响应时间快,非常适合用于变压器绝缘油中多组分气体实时在线检测。     

红外反远距光学系统的小型化设计

 设计了一大视场短筒长的红外反远距物镜。针对红外物镜的特点,对反远距物镜进行高斯光学分析,找出进一步小型化的途径;根据探测器参数,提出了光学系统的参数,焦距10mm,F/#为1.2,视场60°。实例方案中,光学结构采用4片硅片,2个二次曲面;光学系统长度小于57 mm,外径小于24 mm,利用内调焦及充足的调焦范围,使光学系统在-40℃~60℃的工作温度范围内全视场调制传递函数曲线在截止频率处大于0.45;设计系统体积小,视场大,成本低,便于机械安装,环境使用范围广。     

红外甲烷气体浓度检测系统设计

为了精确测量甲烷气体的体积浓度,采用平行红外光源IRL715EN-PR设计了红外甲烷气体检测系统。整个检测系统由硬件电路和软件系统组成。在软件程序设计上设计了一种关于信号处理的新算法,同时设计了中断喂狗程序,大大延长了看门狗定时复位时间。利用Matlab对数据进行了拟合,得到了系统的浓度和电压的函数关系。实验表明,在体积浓度在0%~4%范围内,系统最大相对误差小于1%。     

基于超窄带激光器扫描技术的气体检测研究

基于气体的差分吸收检测原理和超窄带半导体激光器的光谱扫描技术,设计了一种高精度分布式二氧化碳气体检测网络.系统采用超窄带可调谐半导体激光器作为光源,设计了新型气室结构,通过方波信号对光源光谱进行调制,消除了其他气体成分和灰尘颗粒的干扰,并结合空分复用技术,实现了二氧化碳的实时分布式检测.利用超窄带光谱扫描技术测得了不同...     

Outdoor infrared video surveillance: A novel dynamic technique for the subtraction of a changing background of IR images

For security applications, automatic detection and tracking of moving objects is an important and challenging issue especially in uncontrolled environments. Recently, due to the decreasing costs and increasing miniaturization of infrared sensors, the use of infrared imaging technology has become an interesting alternative in such applications.

In this paper, a framework is proposed to detect, track and classify both pedestrians and vehicles in realistic scenarios using a stationary infrared camera. More specifically, a novel dynamic background-subtraction technique to robustly adapt detection to illumination changes in outdoor scenes is proposed. We noticed that combining results with edge detection enables to reduce considerably false alarms while this reinforces also tracking efficiency. The proposed system was implemented and tested successfully in various environmental conditions.     

基于便携式柱面镜多通池的二氧化碳高灵敏度探测研究

二氧化碳作为大气中重要的温室气体，与气候变化和人类活动密切相关，因此对其浓度的探测具有重要意义。利用近红外可调谐二极管激光器结合自主设计的便携式小型化柱面镜光学多通吸收池，实现了二氧化碳气体的高灵敏探测。通过Matlab编写光线传输矩阵，优化设计了基于柱面镜的光学多通吸收池，相比于传统Herriott型多通池，具有腔镜利用面积高、在相同体积内可实现有效光程长等特点，在物理基长为15 cm的情况下，实现了14 m的有效光程。实验中使用中心波长为1.57 μm的DFB二极管激光器，采用直接吸收光谱方法对CO₂气体进行了探测研究，并用Allan方差对系统性能进行了分析。结果表明，在平均时间为5 s时，系统的探测灵敏度为33.1 μL·L-1，平均时间为235 s时，系统的探测灵敏度可达到5.3 μL·L-1。此外，利用该系统实现了大气中CO₂的探测，得到大气中的CO₂浓度为383.4 μL·L-1。基于柱面镜多通池搭建的可调谐激光吸收光谱(TDLAS)系统，结合了柱面镜多通池可在小体积内实现长光程和可调谐激光吸收光谱技术高灵敏度、高分辨率、快速响应的优点，大大减小了系统体积，提高了系统探测灵敏度，在气体探测领域有广泛的应用。