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,该系统的测量误差小于2%,具有很高的测量精度,具备了煤矿应用的基础。     

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...     

地基CO2廓线探测差分吸收激光雷达

研制了一台利用气溶胶散射信号的CO₂廓线探测差分吸收激光雷达. 系统利用染料激光器实现波长调制, 采用双光路气体吸收池, 结合Voigt拟合方法实现了脉冲红外激光的高精度定标. 针对输出激光带宽较宽的问题, 采取仿真实验评估了影响, 并设计了基于吸收池的订正因子获取方案. 进而, 开展了水平、垂直和连续观测实验, 通过与地面CO₂分析仪测量值的对比, 证明了系统具备优越的精密性和精确性. 实验表明, 该样机能够俘获CO₂浓度随高程和时间变化而产生的变化.     

基于红外差分检测的甲烷气体传感器

鉴于红外吸收法检测甲烷气体浓度时,误差的补偿是提高检测精度的核心。通常采用各种差分吸收技术来进行误差的补偿,减少各种干扰。基于红外差分检测原理,设计一种双波长差分甲烷传感器。利用旋转滤光盘控制滤波和光的通过,使测量光和参考光分时通过光路,实现了单光源单光路单探测器结构,消除了光源功率波动、光路损耗以及探测器的不稳定带来的误差,提高了检测精度。实验表明,在0～6%浓度范围内,该传感器最大相对误差小于1%。     

用于红外单光子探测的雪崩光电二极管传输线抑制电路模型的理论分析

结合利用雪崩光电二极管(APD)进行红外单光子探测电路模型的工作原理和特点以及传输线瞬态电脉冲产生的过程,提出了将传输线瞬态过程脉冲发生电路模型用于APD雪崩抑制的一种新方法,该方法可以实现利用APD门模工作方式进行红外单光子探测的过程.主要从理论上计算了红外单光子信号入射APD时,传输线脉冲发生电路模型中负载电阻输出电脉冲的特点,讨论了传输线终端不同边界条件对输出电脉冲的影响,通过理论计算确定了这种利用APD进行红外单光子探测新模型的电路结构与参数,证明了该电路模型用于红外单光子探测APD门模工作方式的 关键词： 红外单光子探测技术 雪崩光电二极管(APD) 抑制电路 传输线瞬态过程     

袖珍式红外瓦斯检测仪的设计与实验

在满足气体检测要求的前提下,为了能够使气体检测仪器的小型化以及低功耗,设计了袖珍式红外瓦斯检测仪.以集光源、光路、红外探测器于一体的红外传感模块为核心,修正了传统的气体吸收理论,采用差分式气体吸收技术设计出一种具有低成本、低功耗、低检测下限、高信噪比的袖珍式非线性甲烷检测仪.集成后的仪器采用干电池单电源供电,工作时总电流在150mA以内、总功耗小于0.9 W,检测仪的电路增益为43.3dB.实验中进行了单、双通道气体检测实验,采用新配气方法在甲烷爆炸限内进行双通道气体检测实验,得到低检测下限和高灵敏度测试实验,最低检测下限都能够达50ppm.与传统的壁挂式检测仪器相比,该仪器以手持式的形式完全可以满足检测有害气体的需求.     

基于波长扫描的差分吸收光纤煤矿瓦斯传感系统设计

以1 330 nm波段的超辐射发光二极管为光源,利用可调谐光纤法珀滤波器为滤光元件,设计了一套光纤煤矿瓦斯传感系统.该系统采用了参考测量方法和差分吸收技术:一路参考光被引出用以消除光源波动的影响;扫描光纤法珀滤波器获得信号光波长和参考光波长,在实现差分吸收测量的同时,避免了不同滤光元件性能差异和中心波长漂移的影响.实验结果表明,所设计的光纤煤矿瓦斯传感系统的最低可探测甲烷浓度为0.15%.     

基于光谱吸收的光纤甲烷监测系统在瓦斯抽采中的应用

研究了一种基于光谱吸收的光纤甲烷远程实时在线监测系统,分析了该系统在瓦斯抽采中的应用.该系统以1665nm波长半导体激光器作为光源,以单片机C8051F410为核心处理器,采用锯齿波信号实现了气体激光吸收光谱的波长调制,结合A/D转换电路、通讯电路和显示电路,可进行声光报警、LCD液晶显示等.利用内置参考池对激光波长漂移进行自适应调整,可以实现甲烷吸收线的锁定.该系统已在国内外建立多个示范工程,试验表明,该系统具有很好的稳定性,在0%～100%量程实现了分布式多点甲烷气体浓度的实时在线监测和显示,监测的灵敏度可达ppm量级,在煤矿瓦斯抽采领域具有广泛的应用前景.     

基于波长扫描的差分吸收光纤煤矿瓦斯传感系统设计

以1330 nm波段的超辐射发光二极管为光源,利用可调谐光纤法珀滤波器为滤光元件,设计了一套光纤煤矿瓦斯传感系统,该系统采用了参考测量方法和差分吸收技术:一路参考光被引出用以消除光源波动的影响:扫描光纤法珀滤波器获得信号光波长和参考光波长,在实现差分吸收测量的同时,避免了不同滤光元件性能差异和中心波长漂移的影响,实验结果表明,所设计的光纤煤矿瓦斯传感系统的最低可探测甲烷浓度为0.15％.     

用发光二极管实现的双通道、双色红外CO_2分析仪

介绍了一种采用发光二极管InAsSbP作光源、以PbSe探测器作光电转换器件实现的红外CO2浓度分析仪。分析仪由探测器系统、信号放大与处理系统及显示输出系统三部分组成。探测器系统主要包括发光二极管InAsS bP、红外窗口、气路、取样泵、球面反射镜、带通滤光片及PbSe探测器等;信号放大与处理系统主要包括电压跟随放大电路、采样保持电路、多路模拟开关、模 数转换电路及8031单片机等;显示输出系统主要包括显示器、打印机及声报警器等。叙述了分析仪的工作原理、基本结构及主要技术指标,讨论了其中的技术难点及其相应的解决方法,并给出了其所能达到的技术指标。     

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。     

一种基于谐波检测技术的光纤甲烷气体传感器

甲烷是易燃易爆气体,是矿井瓦斯及天然气等多种气体燃料的主要成分.气体爆炸一直是困扰煤矿安全生产的重大难题,因此现场实时检测甲烷气体浓度对于工矿安全运行,人身安全有着至关重要的作用.基于甲烷气体近红外吸收的机理,研究了一种以DFB LD为光源的高灵敏度光谱吸收型光纤甲烷气体传感器.利用光源调制实现气体浓度的谐波检测,用二次谐波与一次谐波的比值来消除光路干扰.建立了谐波检测的数学模型,给出了甲烷气体的测量结果.利用光纤作为传光通道,使得探头可以与测量电?肥迪滞耆绺衾?增强了系统的安全性.     

基于光谱吸收法的甲烷气体传感器的研究

基于甲烷气体的红外光谱吸收特性,研究了长光程差分吸收式甲烷气体检测的方法.差分吸收法消除了光源不稳定及光电器件的热零点漂移等因素对测量精度的影响,提高了系统检测灵敏度.该方法用LED16做光源,结构简单、成本低廉,配上专门设计的气室,响应度较高的探测器,以及以DSP为核心的数据处理电路,研制出了实用的甲烷气体传感器.     

基于角反射镜的气体传感器

介绍了一种由两个角反射镜构成的气体传感器吸收池。利用角反射镜的反射特性和对光束的倾斜不敏感性,提高了吸收池的稳定性和灵敏度。用几何光学方法分析光束的传输特性。提出了探测光在单波长和双波长时的传输方程和系统的测量方程,构建了一种气体浓度检测系统。探测光在吸收池中来回传播的次数N由两个角反射镜的轴间距离决定,差分光吸收光谱(DOAS)的灵敏度与光在池内的传播次数N成正比。在N为3时,电池的检测阈值接近50 ppm     

双气室气体检测系统的研究

基于气体的近红外吸收机理,研究了一种双气室光纤气体检测系统。通过光纤光栅和压电陶瓷对宽带光源LED进行波长调制,获得了与气体吸收峰对应的窄带反射出射光,检测二次谐波,实现气体浓度的较高灵敏度测量。利用测量气室和参考气室的二次谐波的比值来消除吸收系数随环境的变化、光源光功率的波动和光路干扰对测量精度的影响。利用该系统对CH₄气体进行了实验研究,实验表明该系统的测量灵敏度可以达到0.2×10^-6。     

Near-infrared methane sensor based on a distributed feedback laser

In this article, a near-infrared methane detection system using tunable diode laser absorption spectroscopy technology was designed and implemented. The distributed feedback laser was driven by a self-developed temperature and current controller to allow scanning the selected absorption wavelength at 1654?nm. Laser temperature fluctuation was lower than 0.01%, and the output emission wavelength was linear and stable. The emitted beam passed a reflective gas chamber and was received by the Indium Gallium Arsenide photodiode detector. Through a data acquisition card, a digital lock-in amplifier was developed to extract the second harmonics with real-time monitoring and adjustment. Based on Allan deviation analysis, the limit of detection was about 48?ppm with a path length of 30?cm, at an integration time of 6?s. The experimental results revealed a maximum detection error of less than 3% at a gas concentration higher than 100?ppm. The fluctuations rates in long-term (9?hr) stability measurements for 1?×?10³?ppm and 1?×?10⁴?ppm methane samples were 0.8% and 0.48%, respectively, indicating good stability for the sensor. In the control module design, compared with previous reports on methane detection systems, the current system uses a self-developed temperature controller, a current driver and a signal processor, to allow real-time display and adjustments. The potential for adjustable wavelength scanning is available for multi-gas detection based on a single detection system.     

Infrared frequency upconverter for high-sensitivity imaging of gas plumes

A remote methane detection system has been developed using a single-frequency tunable optical parametric oscillator at 3.4 microm infrared wavelength. The infrared received light is converted by a frequency upconverter with a strong pump beam to near-infrared wavelength at 0.81 microm and detected by a sensitive photomultiplier. The conversion efficiency of the upconverter was 40% for the backscatter signal from a topographic target, and the detector sensitivity was 11 times higher than that of the cooled InAs detector. By raster scanning the infrared beam, imaging was realized for the methane gas plume with an accuracy of 20 parts in 10(6)m at the range of ~2m.