采用4.8μm中红外量子级联激光器的痕量一氧化碳气体检测仪

一氧化碳是一种无色、无味、有毒、易燃的危险气体,且低浓度的该气体可以使人中毒、窒息、危及生命。因此研制一种能够检测一氧化碳气体浓度的检测仪意义重大,尤其在环境复杂(湿度和粉尘浓度都很大)的矿井下。本文所述的是一种紧凑型检测仪器,其能够灵敏、快速、连续地监测环境空气中痕量一氧化碳气体浓度。该仪器采用激发波长为4.8μm的中红外量子级联激光器(QCL)和红外碲镉汞探测器的最新半导体技术,结合中红外光程长度为76m的多次反射herriott吸收气室,可以在4s的采样时间内实现40nmol·mol-1气体检测灵敏度。同时,该仪器利用差分吸收光谱检测原理,设计了双光路双通道空间光学结构,消除了电调制光源所带来的不稳定性,有效地提高了仪器浓度检测下限。实验表明,该仪器通过所集成的气体浓度反演算法,能够在无需校准的情况下,可以用于环境监测中的实地痕量气体测量,并且操作人员可以通过替换在不同波长下运行的QCL来测量其他气体。     

便携式红外甲烷浓度测试仪的研制

利用红外吸收原理,研制一种测量1．33um波段甲烷浓度的测试仪,该仪器的特点是测量时不受其他气体成份影响,体积小,精度高,采用数字显示,操作简单,适合野外条件下使用。     

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.     

最小可分辨气体浓度的等效测试评价方法

最小可分辨气体浓度(MRGC)是最新提出的一种客观评价气体泄漏红外成像检测系统的性能参数, 但MRGC测试系统较为复杂. 本文首先推导建立了MRGC的数学模型, 然后在比较MRGC与常规热成像系统的最小可分辨温差(MRTD)性能参数模型原理以及测试方法的基础上, 依据最小可分辨辐射响应差相等的条件, 提出了一种气体泄漏红外成像检测系统的MRGC等效测试评价方法, 并对乙烯气体进行了MRGC的直接测量与等效测试结果的比较. 结果表明两者具有较好的一致性, 是一种可行的普适测试方法. 由于等效测试法只需常规MRTD 测试结果及气体红外光谱数据库, 方法简单可靠, 具有推广应用价值, 对气体泄漏红外成像检测系统的研发和应用具有重要的意义.     

多参数补偿中红外甲烷检测仪的研制与试验

采用双通道差分式红外气体检测方法,基于比尔朗伯理论做针对性修正,研制出低检测下限、高探测性能的手持式红外甲烷气体检测仪.通过TracePro光线模拟软件,对比分析多种光学路径结构,得到小空间内长光程气室结构,增强气体有效吸收,提高仪器检测性能.引入多参数补偿算法,对气体吸收理论进行优化,得到适应本检测系统的气体吸收函数,以保证气体浓度信息计算准确性.仪器工作时最大输出电流为130mA,采用干电池供电,仪器的尺寸为209mm×70mm×40mm,甲烷气体浓度爆炸限以下最低检测限可达到50ppm,可以保证气体防爆的安全性要求.     

采用7.5μm中红外量子级联激光器的痕量甲烷气体检测仪

一种具有高稳定性和高敏感度的紧凑型仪器,能精确、实时、实地连续测量和显示环境空气中的痕量甲烷(CH4)浓度.仪器采用了已集成热电制冷器激射波长为7.5μm的法布里-珀罗量子级联激光器(QCL)在室温脉冲工作模式下的最新技术,以覆盖CH4位于(v)4附近基频特征吸收谱带.同时,采用高品质液氮制冷碲镉汞中红外探测器,配合全反射镀金椭球反射镜一同使用,在20 cm单路径开放式光路吸收气室环境下,确保被测甲烷气体浓度为200 μmol · mol-1的实验条件下保持稳定度高达5.2 × 10-3.此仪器所集成的软件算法通过时间鉴别电子技术实现对QCL控制,能够在无需校准的情况下,提供连续痕量甲烷气体检测.实验表明,仪器可以用于环境监测中的实地痕量气体测量,并且操作人员可以通过替换在不同波长下运行的QCL来测量其他气体.     

基于红外技术的气体浓度检测方法研究

依据Lambert-Beer定律,推导出检测气体浓度的数学模型,得出了测量和参考探测器输出电压与气体浓度的函数表达式,表达式中的二个常数的数值取决于气室长度、气体吸收系数、探测器的电压探测率,经零点和满量程标准气样的标定,可确定这二个常数的数值,实现对仪器的标定.根据仪器零点随温度变化的关系,得到零点与温度函数表达式,用于零点温度补偿以及对零点温度补偿系数的计算;量程温度补偿方法是通过引入量程温度补偿因子,对测量和参考探测器输出电压与气体浓度的函数表达式进行修正,修正后的函数表达式用于量程温度补偿,也能对量程温度补偿因子中的补偿系数进行计算.矿用红外甲烷传感器采用本文的标定方法和温度补偿方法,在不同的环境温度下,对标准气样进行检测,其检测结果符合红外甲烷传感器标准所规定的基本误差.     

基于非分散红外吸收的总有机碳检测仪研制

总有机碳是以碳的含量来表示水体中有机物总量的综合指标,比化学需氧量等参数更能准确反映有机污染程度。根据C02气体对红外光的吸收与其浓度的关系符合Lambert—Beer定律,研制了一种非分散红外法总有机碳检测仪。该仪器能将待检测的水样导入反应器,水样中有机物被氧化成CO2,非分散红外模块检测到的CO2浓度与水样中总有机碳浓度具有良好的对应关系。具体论述了该仪器的工作流程、分析方法和数据处理方法。测试结果表明仪器的检测下限优于0．5mg／L。该仪器可以为污染减排工作提供可靠的数据支持,完善污染物总量减排监测体系建设。     

EQUINOX55型遥感傅里叶变换红外光谱系统的校正

利用遥感傅 里叶变换红外发射光谱，对红外辐射源的绝对光谱能量分布和热气体浓度进行测量时，首先必须对测得的红外辐射源的发射光谱强度进行校正，为此，需用已知温度的标准绝对黑体对系统进行校正，本文考察了黑体温度对EQUINOX55型遥感傅里叶变换红外光谱的响应函数的影响。结果表明，仪器响应函数随着温度的升高而增加，但当温度比较高时，仪器响应函数曲线变化趋小。     

逐线积分气体吸收模型及其在NDIR气体检测中的应用

介绍了一种精确的逐线积分痕量气体吸收模型,模型适用于中红外波段大气环境中痕量气体、污染气体检测的理论研究和工程应用。首先介绍了气体辐射特性的理论计算方法和现有逐线积分大气模型,比较了各自的优劣性,其次详述了逐线积分计算的理论:吸收系数是温度、波长、气体浓度和相关吸收线参数的函数,单条谱线的平均吸收系数是积分线强与谱线线型的卷积,在不同的大气条件下选择不同的线型。最后,详细描述了模型的算法细节,并给出了模型计算的结果与傅里叶变换光谱仪实测数据的对比,举例介绍了吸收模型在NDIR气体探测技术中的实际应用,并使用该模型模拟了NDIR探测器两个通道的信号强度随尾气中CO2,CO浓度变化的关系,通过计算确定了NDIR探测器合适的工作范围。所述模型利用HIT-RAN光谱数据库,考虑了展宽、线翼截断、温度修正、光谱分辨率变化等情况,可以有效的模拟大气环境中多种气体的红外吸收特征。     

归一化差异植被指数仪的研制与应用

介绍了一种测量归一化差异植被指数(NDVI)的方法及仪器,利用日光作光源,通过四个具有特殊光谱响应特性的光电探测器,在植被近红外反射率平台和红光叶绿素吸收谷两个特征波段,分别对入射光和植被的反射光进行探测,经模拟—数字转换后,求出NDVI值。通过与ASDFieldSpec型便携式光谱仪测得的NDVI数据进行对比、标定,表明NDVI仪测定数据十分可靠。利用NDVI仪的数据,成功反演了小麦植株的叶面积、叶绿素密度,展示了NDVI仪在作物长势、营养诊断方面的应用前景。     

被动式遥感FTIR测量时的仪器响应函数校正

在应用红外发射光谱来获得某些红外源的绝对光谱能量数据,如辐射源光谱辐射通量密度、辐射源光谱辐射强度、辐射源光谱辐射亮度及光谱辐射照度等时,需要得知不同条件下的仪器响应函数.文章对被动式遥感FTIR测量时的仪器响应函数进行了校正,实验结果表明:在不同的实验条件下,仪器响应函数的变化规律是不同的,它不仅和校正时所采用的绝对黑体温度有关,而且和校正中仪器接收到的信号大小有直接关系.因此,在被动式测量时,要密切注意发射源温度以及发射源发射信号大小,以便获得最佳仪器响应函数校正结果.     

基于菲涅耳透镜阵列的红外气体传感器

菲涅耳透镜同时具有分光与会聚特性, 且体积小、重量轻和易复制, 使其在光谱检测中得到逐步应用, 但典型光谱成像仪采用菲涅耳透镜沿光轴扫描的方法来获得连续谱线, 不利于光谱仪的稳定性。考虑到气体探测需求, 选用多通道方式来获得多光谱, 提出了一种基于菲涅耳透镜阵列的新型红外气体传感器, 可实现吸收波长在3～5 μm的CO2,CO,CH4,SO2气体的实时检测。利用球面波的传输理论和瑞利判据, 推导了菲涅耳透镜光谱分辨率与透镜结构参数之间的函数关系, 并以光谱分辨率小于50nm为性能指标, 对1μm工艺的8台阶菲涅耳透镜阵列的结构参数进行了计算和误差分析。结果表明, 透镜阵列所需焦距为47.84 mm, 平均数值孔径大于0.4。     

A nanoscale gas state

We show that a very thin (5-80 nm) gas phase can exist for a long time (>1 h) at the interface between a hydrophobic solid and water. We create the gas phase from CO2, which allows us to determine the chemical identity, phase state, and density via infrared spectroscopy. The average density reveals that the gas is at approximately atmospheric pressure, which explains the unexpectedly long lifetime of the gas phase under ambient conditions. The nanoscale gas phase is reproducibly created under conditions where gas solubility is varied.     

一种基于脉冲红外光源和折叠光路的微小型红外光谱仪

设计了一种不同于传统光栅扫描型光谱仪的新型微小型红外光谱仪.该光谱仪采用灵敏度高且体积小巧的非致冷红外探测器LiTaO3,在光路上直接采用MEMS脉冲红外光源,从而去掉了传统机械斩波器,并通过折叠光路进一步减小光谱仪体积.初步结果显示,所设计的微小型红外光谱仪的方法是可行的,工作波段2 000～5 000 nm,光谱带宽45 nm,可用来分析塑料薄膜、生物液体以及环境大气在内的样品.     

基于卫星平台的全球大气一氧化碳柱浓度反演方法及结果分析

温室效应是全球气候变化的主要原因之一, 除温室气体外, 有毒气体一氧化碳(CO)作为一种非直接温室气体加剧了这种变化. 由于地基观测台站数量有限, 而大气化学模型的模拟又很大程度上依赖于模型假定, 因此, 卫星观测成为实时获取大气CO浓度分布信息的有效途径. Sciamachy是第一台搭载在卫星上, 利用观测到的近红外波段太阳反射光谱反演大气一氧化碳的仪器. 由于在近红外波段, 大气散射效应可以忽略, 所以Sciamachy观测数据能够很好地反演与人类活动息息相关的大气底层一氧化碳的时空变化信息. 本文基于迭代最大后验概率算法, 对Sciamachy的观测数据进行反演分析, 同时应用云效应校正与仪器本身问题校正方法, 得到了全球一氧化碳柱浓度时空分布结果; 通过与Atsr全球火点数据的比较, 分析了全球CO排放源的种类与时空分布; 最后选取中国地区CO柱浓度分布图, 并结合人口密度与煤田/煤矿分布, 对其排放源进行了初步推断.     

层次式SVM子集含烃类混合气体光谱分析方法

含烃类混合气体具有组分多、组分浓度范围大的特点。为了解决海量混合气体光谱数据样本实际上是无法实现的难题,在大量调查的基础上,研究探索了实际工程中可能出现的混合气体分布模式,最后确定为15种混合气体分布子模式,共计5500个光谱数据样本用于训练与检验。在此基础上,按照混合气体分布子模式识别→混合气体分析→结果输出的思路,提出了2层15子集的含烃类混合气体分析方法。多层次多子集软件集成框架以15种混合气体分布子模式为基本框架,由于应用了基于样本关联规则及混合气体分布模式中心集的SVM快速在线分类方法,可向原基本框架在线实时的加入新的混合气体分布子模式。实验结果显示,混合气体组分浓度分析的最大绝对误差为0.41%,最大平均绝对误差为0.04%。可用于其他混合气体的红外光谱分析,具有实际应用价值。     

利用红外光谱吸收原理的CO浓度测量装置研究

介绍了一种基于红外光谱吸收原理 ,利用钽酸锂热释电探测器实现一氧化碳浓度测量的装置。该装置主要由探测器系统、信号放大与处理系统及显示报警系统三部分组成。介绍了该装置的工作原理、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。     

湍流脉动对发动机尾喷焰红外信号的影响

本文用简化的概率密度函数模拟温度的脉动,分析了轴对称火箭发动机尾喷焰湍流脉动对时均辐射信号的影响。分析结果表明,在不同的探测波长上,湍流脉动引起的时均辐射信号变化不同;由于光谱吸收系数总体上随温度的升高而降低,且降低的速率比Planck函数随温度的升高的速率大,从而导致随湍流温度脉动强度的升高尾喷焰时均辐射信号在不同波长处有不同程度的降低。     

蛋白饲料原料粗蛋白含量近红外光谱模型转移研究

建立良好的蛋白饲料近红外光谱定量分析模型及实现在不同仪器间的模型共享,能极大提高模型的利用效率,满足饲料行业快速发展的需要。针对蛋白饲料原料粗蛋白含量近红外分析模型适用性问题,首次采用光谱差值转移、直接校正和分段直接校正法进行了三台不同类型的近红外光谱仪之间的模型转移研究。实验样品为四种蛋白饲料原料:玉米蛋白粉、菜粕、酒糟和鱼粉。实验仪器包括MATRIX-Ⅰ傅里叶变换型近红外光谱仪(主仪器),Spectrum 400傅里叶变换型近红外光谱仪(从仪器1)和SupNIR-2750光栅扫描型近红外光谱仪(从仪器2)。研究表明,同一样品体系在主仪器和从仪器2上所得光谱数据的差异性相对较小,且均与从仪器1所得光谱数据的差异性相对较大。除分段直接校正法对玉米蛋白粉从仪器2的预测结果无促进作用之外,其他模型的预测均方根误差和系统偏差均明显低于转移前。玉米蛋白粉、菜粕和酒糟样品采用三种方法转移后的模型预测相对分析误差(RPD)均大于3.0,预测效果良好。鱼粉样品模型转移后的预测RPD均大于2.5,预测效果较好。三种方法对于蛋白饲料原料不同仪器间的光谱差异进行了有效校正。该研究结果对于蛋白饲料品质近红外快速分析模型的广泛应用具有重要意义。