利用可调谐半导体激光光谱技术对含尘气体中NH3的测量

利用可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）并结合波长调制，在近红外波段1531.7nm处对常温常压下的NH₃进行浓度测量.在10m的长程吸收池内得到了25×10^-6的浓度信号，并且在25×10^-6—400×10^-6浓度范围内二次谐波信号与浓度具有良好的线性关系.讨论了粉尘颗粒对于二次谐波信号的干扰，并提出了利用激光强度线性拟合解决颗粒对气体测量干扰的方法. 关键词： 可调谐半导体吸收光谱 波长调制 3浓度测量')" href="#">NH₃浓度测量 颗粒影响     

高温高压下基于TDLAS的二氧化碳浓度测量方法研究

通过具有高灵敏度、非侵入式等特性的可调谐二极管激光吸收光谱技术对发动机气缸工作过程等高温高压燃烧环境进行实时在线检测,是了解其内部燃烧过程进而研发高效发动机的重要手段之一。作为一种重要的温室气体和化石燃料燃烧的主要产物,二氧化碳对于了解燃烧过程具有重要的意义。为了寻找一种能够对高温高压燃烧过程中的二氧化碳浓度进行快速检测的方法,利用工作在室温条件下的近红外可调谐二极管激光器作为光源,以二氧化碳位于5 006.140 cm-1处的跃迁作为传感谱线,结合固定波长的吸收光谱调制技术,通过该CO₂谱线的一次谐波归一化的二次谐波信号峰值实现对高温高压环境中CO₂浓度测量,建立了一种可用于高温高压环境下的组份浓度的测量方法,通过实验验证得出该方法在5 atm压力、500 K温度下和10 atm压力、1 000 K温度下对于CO₂浓度测量的平均标准偏差为3.99%;另外还对实验中所得CO₂直接吸收及二次谐波信号进行了分析,得到了其吸收光谱在高温高压环境下的特性。     

利用可调谐半导体激光光谱技术对含尘气体中NH3的测量

利用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)并结合波长调制,在近红外波段1531.7nm处对常温常压下的NH3进行浓度测量.在10 m的长程吸收池内得到了25×10-6的浓度信号,并且在25×10-5-400×10-6浓度范围内二次谐波信号与浓度具有良好的线性关系.讨论了粉尘颗粒对于二次谐波信号的干扰,并提出了利用激光强度线性拟合解决颗粒对气体测量干扰的方法.     

基于三角波调制的免标定气体浓度测量方法研究

可调谐二极管激光吸收光谱技术中的波长调制方法具有适应恶劣环境以及灵敏度高等特点,在气体浓度测量方面得到了广泛应用。与常用的正弦波调制相比,三角波调制方式具有更高的灵敏度,但一般采用标定的方法来实现气体浓度的测量。提出了基于三角波调制的免标定波长调制方法,建立了分布反馈激光器在三角波调制下的频率响应模型。实验结果表明,使用所提频率响应关系式可使标准具信号拟合结果的相对残差小于0.4%,一次谐波归一化二次谐波信号拟合结果的相对残差小于1.2%,证明了该模型的可行性;实现了基于三角波调制的CH4气体浓度的免标定测量。     

可调谐二极管激光吸收光谱二次谐波信号的模拟与分析

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)作为近年来发展起来的一种气体检测技术,具有高分辨率、高灵敏度和快速测量等特点。波长调制光谱信号的二次谐波分量常作为检测信号,用于气体浓度信息的反演。利用MATLAB中的可视化建模仿真平台Simulink,模拟了基于TDLAS的波长调制光谱信号,利用锁相放大原理提取二次谐波分量。采用数字锁相,正交双通道结构实现锁相算法。通过比较不同调制系数下二次谐波信号的变化情况,分析了二次谐波信号与调制系数的关系,以便确定最佳参数,用于二次谐波的提取。     

颗粒物与气体浓度同步测量方法研究

针对燃煤电厂颗粒物超低浓度排放在线检测的需求,在激光散射法的基础上提出了利用光强调制技术的颗粒物浓度在线测量方法。结合波长调制技术提出了气体与颗粒物浓度同步测量的方法,同时建立了波长调制下散射光信号的数学模型。理论分析及仿真结果表明:气体浓度与归一化二次谐波幅值的峰值成正比,颗粒物浓度与消除气体吸收后的散射光信号的一次谐波幅值成正比。利用1392 nm的近红外激光器对蚊香燃烧时产生的颗粒物与水蒸气浓度进行同步测量。实验结果表明:测量的水蒸气浓度值与温湿度传感器测量值之间的偏差小于3%,颗粒物浓度的特征值与粉尘仪测量值具有高度线性关系,拟合因子为0.9973,实现了基于波长调制技术的颗粒物与气体浓度的同步测量。     

基于二次-四次谐波联用的免标定波长调制激光吸收光谱方法

可调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术因其高灵敏度、高选择性和快速响应的特点，被广泛应用于痕量气体的检测与燃烧诊断研究。基于谐波检测的波长调制光谱(WMS)方法具有高信噪比的优势，是最常用的TDLAS气体传感方法之一。近年来，为了扩展WMS方法的适用范围，减小光谱参数标定误差，针对WMS方法免标定策略的研究逐渐成为热点。传统的免标定WMS方法一般需要根据光谱数据库并结合激光调制参数进行复杂的吸收光谱模拟，对先验光谱参数的准确度和硬件参数提出了很高的要求。针对以上问题，提出了一种基于二次-四次谐波联用的免标定波长调制激光吸收光谱方法，可以实现气体参数的快速、精确测量。与传统免标定WMS方法相比，新方法有以下特点和优势：(1)新方法基于Voigt线型导出，可以适应于任意展宽条件下的测量；(2)新方法只需要利用二次谐波和四次谐波中心峰高参数的代数计算即可获得吸收谱线展宽、积分吸收面积等关键光谱参数，进而实现浓度、温度等气体参数的测量；(3)新方法不需要进行运算量较大的谐波拟合以及高次谐波计算，降低了对硬件系统的要求；(4)因为不需要扫描完整的吸收谱线形状，解决了传统方法在高温高压下由于吸...     

光纤气体传感器解调方法的研究

利用可调谐激光光谱技术并结合二次谐波检测的波长调制方法对气体浓度进行检测,大大提高了检测灵敏度.然而光的传输和电路自身延时都会产生未知的相位延时,含有气体浓度信息的被测信号和二倍频参考信号的相位差变化严重影响二次谐波信号测量结果.本文设计出一种4路乘法锁相解调电路,设计中分别用正弦信号和余弦信号对被测信号进行解调,经积分电路后得到两路分别与相位差的正弦值和余弦值相关的解调信号.将两路解调信号平方,再通过加法器相加后消除相位差,得到完全与相位差无关的幅值信号.实验证明当被测信号相位在0°—90°变化时,解调 关键词： 可调谐半导体激光吸收光谱 波长调制 解调电路 相位差     

可调谐二极管激光吸收光谱二次谐波检测方法的研究

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)是利用二极管激光器的波长扫描和电流调谐特性来实现痕量气体吸收曲线二次谐波检测的一种新技术,具有高灵敏、高选择性、高精度等特点。理论分析和实验结果表明:利用二次谐波检测到的信号特征除了与被测气体的吸收特征有关外,还与波长扫描参数和电流调制参数有密切的关系。通过研究不同波长的扫描参数和在功率调制参数下的二次谐波曲线,分析了它们的波形特征和稳定性,以便寻求最佳的波长扫描参数和功率调制参数,从而使二次谐波曲线的稳定性和形状达到最佳。     

基于Gabor变换的TDLAS检测信号的降噪研究

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术结合波长调制光谱(WMS)技术是用于痕量气体检测的重要技术手段。通过锁相放大器进行谐波检测,对解调得到的二次谐波信号进行分析可获得气体吸收的信息。但由于二次谐波信号受到噪声的影响,降低了检测系统的精度和稳定性。为了提高TDLAS检测系统的信噪比(SNR),提出了一种基于Gabor变换对二次谐波信号进行数字滤波降噪的方法。以CH₄在1 653.72 nm处的吸收光谱为例,通过仿真和实验对该降噪方法的有效性进行了验证。仿真结果表明,通过Gabor变换对信噪比为0dB的二次谐波信号进行处理后,系统的信噪比可提高15.73 dB。实验结果表明,基于Gabor变换进行降噪处理后,CH₄浓度在0.001%～0.02%区间内与二次谐波峰值的线性相关系数r达到了0.996 59,且系统的检测精度和稳定性明显提高。     

Wavelength-modulation-spectroscopy for real-time, in situ NO detection in combustion gases with a 5.2 μm quantum-cascade laser

A mid-infrared absorption strategy with calibration-free wavelength-modulation-spectroscopy (WMS) has been developed and demonstrated for real-time, in situ detection of nitric oxide in particulate-laden combustion-exhaust gases up to temperatures of 700 K. An external-cavity quantum-cascade laser (ECQCL) near 5.2 μm accessed the fundamental absorption band of NO, and a wavelength-scanned, 1f-normalized WMS with second-harmonic detection (WMS-2f/1f) strategy was developed. Due to the external-cavity laser architecture, large nonlinear intensity modulation (IM) was observed when the wavelength was modulated by injection-current modulation, and the IM indices were also found to be strongly wavelength-dependent as the center wavelength was scanned with piezoelectric tuning of the cavity. A quantitative model of the 1f-normalized WMS-2f signal was developed and validated under laboratory conditions. A sensor was subsequently designed, built and demonstrated for real-time, in situ measurements of NO across a 3 m path in the particulate-laden exhaust of a pulverized-coal-fired power plant boiler. The 1f-normalized WMS-2f method proved to have better noise immunity for non-absorption transmission, than wavelength-scanned direct absorption. A 0.3 ppm-m detection limit was estimated using the R15.5 transition near 1927 cm⁻¹ with 1 s averaging. Mid-infrared QCL-based NO absorption with 1f-normalized WMS-2f detection shows excellent promise for practical sensing in the combustion exhaust.     

Erratum to: VCSEL-based calibration-free carbon monoxide sensor at 2.3 μm with in-line reference cell

A compact and calibration-free carbon monoxide sensor approach utilizing the wide current-tunability of 2.3 μm VCSELs is reported. A separate reference cell is avoided by filling the reference gas (methane) in the photodetector housing. By applying bandwidth optimized wide/narrow wavelength scan concept, inherent wavelength scale calibration and self-monitoring of the sensor are realized, with which the laser aging process is also under control. An efficient linear least-squares curve fit using an analytical signal model for the narrow scan spectrum is done, utilizing the knowledge of the absolute wavelength scale and also the estimated WMS modulation amplitude obtained from the wide scan. The scan width of the narrow spectrum is optimized aiming at the maximum signal to noise ratio on the determined CO concentration. These concepts are universal and can be utilized for optical sensing of other gases as well and the sensor was tested under diverse applications e.g. fire detection and combustion optimization.     

基于激光吸收光谱技术天然气管道泄漏定量遥测方法的研究

报道了基于激光吸收光谱学原理的天然气管道泄漏移动遥测技术,通过模拟天然气泄漏实验, 分析了移动遥测的关键技术问题.为了定量遥测天然气管道微量泄漏,引入一个和剩余幅度调制(RAM) 等值反相的信号对偏差进行补偿,降低RAM对谐波信号的影响,提高系统检测灵敏度. 针对遥测回波吸收光谱特征,提出了改进软阈值小波去噪法,就提高系统信噪比而言, 比传统软阈值去噪法高2倍多,同时对二次谐波(2f)信号形状也有很好的保留,通过探测限计算, 系统移动遥测灵敏度达到80 ppm/m.     

基于梯度下降法直接拟合光谱吸收信号的气体浓度测量方法研究

可调谐二极管激光吸收光谱技术由于选择性强、灵敏度高、精确度高、非侵入式测量等优点,被广泛应用于大气环境监测、燃烧流场诊断、工业过程控制、人体呼吸探测等领域。直接吸收技术和波长调制技术是可调谐二极管激光吸收光谱技术两种不同的测量手段,其中直接吸收技术测量系统结构简单、信号处理相对容易、成本较低、避免提前标定,在测量气体为常量组分时广泛使用。直接吸收技术测量气体浓度时,首先需要从光谱吸收信号中得到一条表示未吸收的基线信号,这一过程被称为基线拟合。基线拟合不准确会给测量结果带来较大误差,这也是直接吸收技术难以达到低探测限的原因之一。针对上述问题,基于梯度下降法,将基线、气体浓度、吸收线型等作为未知量,通过建立激光吸收光谱信号的数学模型,对透射信号直接拟合,最终得到气体的浓度信息。这种方法同步拟合了线型和基线,相比传统的积分面积法,增强了拟合的整体一致性。在近红外激光吸收光谱气体浓度检测系统上,利用中心波长在1 580 nm处的分布反馈式激光器,通过该方法对实际浓度为10%,12%,14%,16%,18%和20%的CO₂进行了测量,并将测量结果与积分面积法测量结果进行对比。研究结果显示,六种浓度下直接拟合法的曲线拟合方差均小于1×10-4,测量浓度的最小相对误差仅为0.90%,最大相对误差为4.40%,此时迭代时间在4 s以内,计算检测限为0.39%;直接拟合法和积分面积法得到的浓度平均相对误差分别为2.63%和5.74%,直接拟合法优于积分面积法。实验研究验证了基于梯度下降法直接拟合光谱吸收信号的气体浓度测量方法的可行性与准确性,为直接吸收技术提供了一个新的思路。     

可调谐激光二极管吸收光谱系统信号分析及谱线畸变校正技术研究

利用可调谐激光二极管吸收光谱技术进行气体检测时,波长调制伴随的光强幅度调制,会使解调出的谐波谱线发生畸变.在傅里叶分析的基础上对可调谐激光二极管吸收光谱任意调制幅度的波长调制光谱信号进行了分析,给出了光强幅度调制引起吸收谱线畸变的理论解释.提出了在波长调制过程中进行旧步平抑幅度调制的方法来消除谱线畸变,设计了实验方案并...     

Second-harmonic detection with tunable diode lasers — Comparison of experiment and theory

A series of experiments are carried out by current modulating a tunable diode laser, and slowly ramping the wavelength to scan weak absorption lines in gases at pressures ranging from 2 to 60 Torr. A lock-in amplifier detects the second harmonic (2f) of the modulation frequency, and the experimental 2f signals are compared with theory. Detailed measurements are made on Lorentzian, Voigt, and Gaussian line profiles, over a wide range of modulation amplitudes. Excellent agreement between experiment and calculation is obtained in all cases. This quantitative understanding enables one to derive true lineshapes and linewidths of very weak absorption lines from measurements of 2f lineshapes only. Results are applicable to trace gas detection using tunable diode lasers, and to other areas of spectroscopy and magnetic resonance where harmonic detection techniques are routinely employed to monitor weak signals.This work was supported in part by the National Science and Engineering Research Council, Canada     

利用波长调制光谱技术测量高温环境中的气体压强、温度和H_2O组分浓度

利用基于可调谐半导体激光器的扫描波长调制光谱技术,实现了高温燃烧场内气体参数的测量。提出了基于迭代算法实现气体压强、温度和组分浓度同时测量的方法,迭代算法具有收敛速度快以及对初始值不敏感等优点。采用频分复用技术,利用两条H_2O吸收谱线(7 454.45和6 806.03cm-1)的谐波信号,对高温燃烧场进行了实验研究,并将气体压强、温度和H_2O组分浓度测量结果与压力传感器、热电偶和直接吸收光谱法的测量结果进行比较,结果表明,基于波长调制光谱技术测得的气体压强、温度和H_2O浓度与预测值基本符合,最大偏差分别在7.6%,8.1%和7.5%以内。此方法具有多参数同时测量、免标定等显著优势,但由于依赖的参数较多,容易对测量精度造成影响。     

中红外谐波检测背景信号漂移的修正方法

可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）由于具有高灵敏度、高分辨率、非侵入及实时检测等特点,被广泛应用于燃烧诊断、痕量气体监测、工业过程控制等领域中。波长调制光谱（WMS）的二次谐波（2f）检测是最常用的TDLAS气体传感方法之一。激光器作为TDLAS-WMS在线检测系统中最核心的部件之一,在长期运行过程中会由于其工作温度等因素变化,引起输出激光波长漂移和2f背景信号基线变化,从而导致气体浓度反演的精确度和TDLAS-WMS在线检测系统的稳定性降低。针对上述问题,根据NO气体分子在中红外波段5.176~5.189 μm的基频吸收特性,选择峰值发射波长位于5.184 μm的分布反馈式连续波量子级联激光器（DFB-CW QCL）,分析了输出激光中心波长对应的峰值采样点位置随采样时间变化的漂移规律和2f吸收及其背景信号的漂移特性。基于上述分析,提出了以2f信号平均峰峰值替代2f信号峰值建立气体浓度反演模型以修正2f背景信号基线漂移,并结合以信噪比最优为2f背景信号波长漂移修正原则的2f背景信号漂移综合修正方法,以消除TDLAS-WMS在线检测系统长期连续检测过程中2f背景信号漂移对气体浓度反演结果的不利影响。研究结果表明,2f信号平均峰峰值随配置的NO样气浓度的增加而增大,这两者呈现较好的线性关系,其拟合曲线的线性拟合度R2达到了0.999 9。在使用体积浓度为20×10-6 NO气体样品开展的连续60 min监测实验中,波长漂移修正后,反演浓度的标准偏差由波长漂移修正前的0.19×10-6下降到了0.07×10-6,反演浓度的最大相对误差由波长漂移修正前的6.30%下降到了3.85%,相对误差均方值由波长漂移修正前的24.39%下降到了9.99%。结果显示,该2f背景信号漂移综合修正方法可以有效地抑制2f背景信号漂移对气体浓度反演结果的影响,显著提高了TDLAS-WMS在线检测系统连续监测的灵敏度、精确度和稳定性。     

Temperature and water concentration measurements in combustion gases using a DFB diode laser at 1.4 μm

A sensor using a single DFB diode laser at 1.4 μm based on wavelength modulation spectroscopy for the measurements of the gas temperature and the H₂O concentration in combustion gases is developed. A line pair of H₂O absorption transitions located at 7085.251 and 7085.876 cm^?1 is selected based on some design rules. The 1f normalized 2f method is used to remove the need for the calibration and to correct for the transmission variation due to beam steering, mechanical misalignments, soot, and window fouling. The precision for the temperature and H₂O concentration measurements are 1.05 and 2.10% in a controlled static cell, respectively. Burner experiments demonstrate the ability of the system for in situ measurements.     

Impact of water vapor on 1.51 μm ammonia absorption features used in trace gas sensing applications

Water-vapor-induced pressure broadening is reported for two NH₃ absorption features at 6612.7 and 6596.4 cm⁻¹ that are exploitable for gas sensing applications at atmospheric pressure. Absorption spectra of different NH₃–H₂O–N₂ mixtures were measured at an elevated temperature of 70°C to enable high H₂O concentrations to be reached. Line parameters were determined from a fitting procedure. The significantly greater values obtained for the H₂O-broadening coefficients of the two lines compared to N₂-broadening leads to cross-sensitivity effects in NH₃ trace gas sensors based on spectroscopic techniques that are sensitive to the width of the analyzed absorption line, as is the case in a simple implementation of wavelength modulation spectroscopy or in photoacoustic spectroscopy. In such a case, cross-sensitivity results in inaccurate gas concentration retrieval when the composition of the diluting gas changes. H₂O represents a potentially significant cross-sensitivity source as its concentration may be subject to large variations, especially in high-temperature applications where concentrations up to a couple of tens of percent may be encountered. In contrast to interference which can be minimized by an appropriate choice of the analyzed transitions, cross-sensitivity affects the entire spectrum of the analyte and is thus unavoidable in the mentioned type of gas sensors.