基于菲涅耳透镜开放光路天然气泄漏检测系统设计研究

天然气泄漏直接导致能源浪费和环境污染,造成重大经济损失。以可调谐半导体激光吸收光谱技术为基础的光学检测方法具有精度高、选择性强、响应速度快以及远距离遥测等优点,使其成为天然气站场以及天然气输运管道在线监测的理想方法。可调谐半导体激光吸收光谱与谐波探测相结合,设计了一套开放式长光程的用于天然气泄漏监测的实验系统。它以中心波长为1.65 μm的分布式反馈InGaAS激光器为光源,利用实心角反射器,在发射端以菲涅耳透镜为光学接收系统,把反射回来的光聚焦到InGaAs探测器。同时,在测量过程中,考虑到光强变化对浓度的影响,并通过归一化光强的方法进行消除,使光强波动引起的误差小于1%。在320 m的光程下模拟管道泄漏实验,系统的检测灵敏度为0.1(10-6体积比),根据光学系统收光效率以及探测器的可探测性能进行分析的最小光强,计算得到该系统可探测的光程可达2 000 m,证明完全满足天然气泄漏检测的需求。     

基于可调谐激光吸收光谱的大气甲烷监测仪

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术利用二极管激光器波长调谐特性,获得被测气体的特征吸收光谱范围内的吸收光谱,从而对污染气体进行定性或者定量分析,这种方法不仅精度较高,选择性强而且响应速度快,已经被用于大气痕量气体监测以及工业控制。在对空气中的痕量气体进行检测中,由于气体浓度较低,需要和长吸收光程技术相结合。将可调谐二极管激光吸收光谱与经过108次反射后达到27 m光程的多次反射池相结合研制了用于地面环境空气中甲烷含量监测的便携式吸收光谱仪,并结合了用于微弱信号检测的二次谐波检测技术,从而达到了体积分数低于1×10-7的检测限,并利用不同体积分数的甲烷气体对系统进行了测试,得到了很好的测试结果。     

基于TDLAS-WMS的中红外痕量CH_4检测仪

为了对痕量甲烷(CH4)进行非接触式检测,采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)与波长调制光谱(WMS)的检测技术,利用CH4位于中红外波段1 332.8cm-1吸收谱线,设计并研制出痕量CH4检测仪。该仪器使用中心波长为7.5μm的中红外量子级联激光器(QCL),通过调谐系数-0.2cm-1·A-1,采用固定工作温度调节其注入电流(0.6~1.6 A)的方式使其发光光谱扫描CH4气体吸收谱线(1 332.8cm-1)。在光学结构方面,该仪器采用光程为76m的herriott长光程密闭气体吸收气室,配合差分检测光路,降低了由激光光源波动引起的噪声,确保对痕量CH4进行检测。实验中,实现了40×10-9最低检测下限,检测结果的相对误差为0.09%,稳定度优于2.8%,验证了该仪器的可行性。     

可调谐二极管激光吸收光谱法监测大气痕量气体中的浓度标定方法研究

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是利用二极管激光器波长调谐特性,获得被测气体的特征吸收光谱范围内的吸收光谱,从而对污染气体进行定性或者定量分析。在空气痕量气体检测中,一般需要和长光程吸收池相结合使用。可调谐二极管激光吸收光谱法就是在可调谐二极管激光器与长光程吸收池技术相结合的基础上发展起来的一种新的痕量气体检测方法。这种方法不仅精度较高,选择性强而且响应速度快。已经广泛用于大气中多种痕量气体的检测以及地面的痕量气体和气体泄漏的检测。在大部分痕量气体检测仪器中需要精确地对检测气体进行在线的浓度标定,文章介绍了一个简单而精确的浓度标定方法,从理论上进行了分析,然后通过实验证明了这种方法的可行性。     

可调谐半导体激光吸收光谱遥测二氧化碳通量的研究

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)具有高分辨率、高灵敏度以及响应时间快等优点.以室温下工作的近红外可调谐半导体激光器为光源,通过波长调制方法对1 578 nm附近CO2气体吸收线的二次谐波信号测量,结合双开放光路技术,实现对不同高度层面700多米长光程范围内CO2气体浓度的快速在线检测.结合大口径闪烁仪测量的莫宁-奥布霍犬长度和特征速度,通过经验公式计算得到CO2气体的通量在-60～60 mg·m-2·s-1范围内波动.实验数据与涡动相关比较表明,两者数据整体变化趋势一致,该方法可以获得较理想的结果.突破了目前对近地面痕量气体通量的监测只能提供局地结果的现象,使大面积范围内痕量气体通量的测量成为可能.     

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     

可调谐半导体激光吸收光谱法对高温甲烷的测量研究

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)是一种具有高灵敏度、高分辨率、快速检测特点的气体检测技术,已广泛用于大气中多种痕量气体的检测以及地面的痕量气体和气体泄漏的检测。研究了利用TDLAS技术测量高温下甲烷浓度的实验方法,使用可加热的静态吸收池对在1653.72nm波长附近R(3)支转动跃迁的吸收线进行了测量,并计算了吸收线强。分别在相同温度不同浓度和相同浓度不同温度的两种条件下进行了实验。结果表明,利用直接吸收的方法,在实验室可以得到370K时的最小可探测限为100×10-6,500K时的最小可探测限为245×10-6(吸收池长度为10cm),可以应用在燃烧控制及喷焰气体浓度测量等多个领域。     

调谐半导体激光吸收光谱自平衡检测方法研究

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)是利用半导体激光器的波长调谐特性,扫描待测气体特征吸收线,从而获得待测气体的浓度信息。基于可调谐半导体激光吸收光谱的自平衡检测方法能够有效地消除激光器光强波动等共模噪声和其他同性干扰的影响。实验表明自平衡检测方法可以获得较理想的结果,检测限低于体积比1.2×10-6,与直接吸收光谱法相比降低了一个数量级。自平衡检测电路简单,自带的电子增益补偿机制能够自动进行平衡探测,该方法不用加信号调制和锁相放大器,直接探测待测气体的吸收光谱,从而降低成本,减小系统装置体积,易于集成为便携式痕量气体检测仪。     

基于TDLAS-WMS的痕量甲烷气体检测仪

甲烷是一种无色、无味、易燃、易爆的气体,不仅造成煤矿作业的重大安全隐患,而且又是温室效应的重要气体之一,对于甲烷气体的监测具有极其重要的意义。采用混合可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)与波长调制光谱(WMS)的检测技术,利用甲烷的2v3(第二泛频带)带R(3)支带吸收谱线,设计并研制出痕量甲烷气体检测仪。通过调谐系数-0.591 cm-1·K-1,采用改变DFB激光器工作温度的方式来获得甲烷在1.654 μm处的最佳吸收谱线。待DFB激光器激射中心谱线选择后,通过调节其注入电流幅值来获得合适的发光强度。同时,结合频率调制技术将待测信号频率移至高频区,减小1/f噪声。在光学结构方面,采用有效光程为76 m的herriott气室,确保对痕量甲烷气体进行检测。利用该痕量甲烷气体检测仪,在被测气体浓度为50～5 000 μmol·mol-1的范围内,对二次谐波信号进行了提取,并利用最小均方误差准则分别对气体浓度、信噪比的关系、谐波峰值信号与气体浓度的关系进行了线性拟合,最低检测限达到了1.4 μmol·mol-1。实验表明,谐波波形对称性良好,未观察到强度调制现象,消除强度调制等因素对谐波检测的影响。     

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。     

1.653 μm处甲烷分子谐波探测技术研究

谐波探测被广泛应用于激光光谱技术中,利用它可以提高探测灵敏度。利用1.653 μm的分布反馈式(DFB)二极管激光器作为光源,建立了一套可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)甲烷探测装置。该装置利用由2块圆形柱面镜构成的光学多通池增加吸收光程,提高探测灵敏度。吸收池基长为15 cm,在112次反射情况下,有效吸收光程达到16.8 m,实现甲烷0.60×10-6(2 s采样时间)的探测极限,可应用于实际大气甲烷的痕量探测。     

基于可调谐多模二极管激光吸收光谱的二氧化碳浓度测量

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)具有高分辨率、高灵敏度和快速测量等特点,是气体探测中的主流技术。使用多模二极管激光器作为光源,将多模二极管激光吸收光谱技术与关联光谱技术相结合有助于提高测试可靠性和稳定性,同时还可有效解决单模二极管激光器长时间工作时中心波长随外界温度或机械特性的变化而发生偏移的问题。以1 570 nm多模二极管激光器为光源,利用多模二极管激光关联光谱和波长调制的气体测量技术(TMDL-COSPEC-WMS),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,实现了对二氧化碳浓度的测量。实验中二氧化碳浓度测量范围在0.6%～30%之间,计算结果表明,二氧化碳浓度与真实浓度值之间具有良好的线性关系,其线性度为0.998 7,线性拟合的斜率为1.061±0.016 8。对二氧化碳与氮气混合气体的连续测量结果表明,系统的探测极限达到335 ppm·m,对同一样品在20 min内的20次连续测量的标准偏差为0.036 7%,表明了系统良好的稳定性,所有测量结果都显示了系统用于二氧化碳气体监测的有效性。     

Influence of laser intensity in second-harmonic detection with tunable diode laser multi-pass absorption spectroscopy

Tunable diode laser absorption spectroscopy （TDLAS） has been widely employed in atmospheric trace gases detection. The ratio of the second-harmonic signal to the intensity of laser beam incident to the multi-pass cell is proved to be proportional to the product of the path length and the gas concentration under any condition. A new calibration method based on this relation in TDLAS system for the measurement of trace gas concentration is proposed for the first time. The detection limit and the sensitivity of the system are below 110 and 31ppbv （parts-per-billion in volume）, respectively.     

可调谐半导体激光吸收光谱技术检测痕量乙烯气体的系统研制

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)利用激光器的窄线宽和波长调谐特性,使其扫描被测气体的单个吸收峰,实现痕量气体的高分辨率、高灵敏度快速检测。通过分析近红外波段的乙烯吸收谱线特性,选取1 626.8 nm附近的吸收峰作为检测谱线,研制了基于white池结构的TDLAS检测系统,结合波长调制和二次谐波检测,对体积分数为20～1 200 ppmv的乙烯气体进行了测量,推算该系统的检测下限约为10 ppmv。     

CW DFB RT diode laser-based sensor for trace-gas detection of ethane using a novel compact multipass gas absorption cell

The development of a continuous wave, thermoelectrically cooled (TEC), distributed feedback diode laser-based spectroscopic trace-gas sensor for ultra-sensitive and selective ethane (C₂H₆) concentration measurements is reported. The sensor platform used tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) and wavelength modulation spectroscopy as the detection technique. TDLAS was performed using an ultra-compact 57.6 m effective optical path length innovative spherical multipass cell capable of 459 passes between two mirrors separated by 12.5 cm and optimized for the 2.5–4 μm range TEC mercury–cadmium–telluride detector. For an interference-free C₂H₆ absorption line located at 2,976.8 cm^?1, a 1σ minimum detection limit of 740 pptv with a 1 s lock-in amplifier time constant was achieved.     

L-M非线性拟合的TDLAS氧气测量研究

氧气浓度是工业生产过程中重要监测参数,采用可调谐二极管激光吸收光谱法(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS),结合波长调制技术,可以实现对现场氧气浓度的高精度在线监测,利用氧气位于760 nm处的特征吸收峰进行了氧气浓度的测量。由于激光具有很强的相干性,所以TDLAS技术的检测灵敏度受到光学干涉噪声的严重制约,特别在低浓度时,光学干涉引起的基线起伏使得提取吸收峰波形信号时出现较大误差,影响了TDLAS分析仪的监测灵敏度。针对这一情况,采用了Levenberg-Marquardt非线性拟合算法,并且利用了吸收谱线线型——洛伦兹线型的导数形式对波长调制后获得的二次谐波波形信号进行拟合,提取波形信息。另一方面Levenberg-Marquardt非线性拟合方法需要有大量的计算,为了使研制的TDLAS分析仪能够实现现场的实时监测,采用了支持浮点运算的DSP的C28系列芯片进行数据处理,实现仪器在现场实时监测的功能。实验结果表明,该算法能够有效提取二次谐波信号的吸收峰特征值、克服背景噪声影响,由算法反演得到的氧气浓度与实际浓度的线性比值为1.01,浓度测量的线性误差为1.18%。     

Continuous wave,distributed feedback diode laser based sensor for trace-gas detection of ethane

The development of a continuous wave (CW), thermoelectrically cooled (TEC), distributed feedback (DFB) laser diode based spectroscopic trace-gas sensor for ultra-sensitive and selective ethane (C₂H₆) concentration measurements is reported. The sensor platform used tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) based on a 2f wavelength modulation (WM) detection technique. TDLAS was performed with a 100 m optical path length astigmatic Herriott cell. For an interference free C₂H₆ absorption line located at 2976.8 cm⁻¹ a 1σ minimum detection limit of 240 pptv (part per trillion by volume) with a 1 second lock-in amplifier time constant was achieved. In addition, reliable and long-term sensor performance was obtained when operating the sensor in an absorption line locked mode.     

基于可调谐激光二极管吸收光谱的乙炔在线检测系统

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术,研制了一种近红外乙炔气体检测系统。通过分析近红外波段乙炔分子的吸收谱线特性,选择了1.534 μm附近乙炔分子的吸收峰作为吸收谱线。该系统主要由分布反馈激光器、激光器驱动器、单光程对射式气室、光电探测模块及数字式锁相放大器构成。为了测试该检测系统的性能,配备了乙炔气体样品并开展了气体检测实验。实验结果显示,该系统的最小检测下限为0.02%;在体积分数为0.02%～1%范围内,二次谐波幅值与乙炔气体浓度呈现出良好的线性关系。通过长达20 h的稳定性实验测试了检测系统稳定性。鉴于近红外波段石英光纤传输损耗很小,可以将气室及光路部分与电路部分分离,从而可以进行远程气体检测,这是基于量子级联激光器、热光源的乙炔检测系统难以实现的。该系统采用了自主研制的分布反馈激光器驱动器和锁相放大器,结构简单,性价比高,便与集成,在工业现场乙炔浓度检测方面有着良好的应用前景。     

大尺度区域水汽浓度激光检测方法的研究

为了实现大尺度区域下大气中水汽浓度的高灵敏度、高精确性、快速响应检测,与遥感反演的数据进行校正,采用了TDLAS直接吸收技术结合开放式监测的方法。选择水汽分子在1.27 μm附近的单根吸收谱线为目标谱线,设计了大尺度区域水汽激光检测系统。结合多次反射池验证了系统性能,40 m光程下极限灵敏度为14.803 mmol·mol-1。利用本系统在中国科学院禹城综合试验站完成了1 420 m光程下的连续外场实验,系统工作稳定,并与同场地涡度相关观测系统中的气体分析仪LI-7500的测量数据进行了对比,数据一致性较好。为在复杂野外非均匀下垫面的水汽浓度变化的监测提供新方法。     

基于多模二极管激光吸收光谱的氧气浓度测量

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)具有高灵敏度、高选择性和快速响应等特点,被广泛应用于环境监测、工业生产监控和生物医疗等众多领域。为克服传统TDLAS技术成本高以及长时间工作过程中由于中心波长偏移造成的稳定性差等问题,提出了利用多模二极管激光关联光谱和谐波检测技术实现氧气浓度在线监测的研究。以Fabry-Perot(FP)激光器为光源,通过对760 nm附近氧气分子的多条吸收谱线的探测,实现了对氧气浓度的测量。输出光束被分光系统分成两路信号,分别经过样品池和测量池,双路接收采集含有气体浓度信息的光信号送后级处理,通过测量信号和参考信号之间的相关性及比例关系对氧气浓度进行反演,其中关联光谱技术和谐波检测技术被用于提高系统稳定性和信噪比。结果表明,在1个大气压条件下,系统的探测极限为280 ppm·m,对同一样品在30 min内的30次连续测量的标准偏差为0.056%,表明了系统良好的稳定性。该系统在软、硬件上的设计可以满足氧气的在线监测,且系统稳定性高、装置简单、易用,便于复杂环境应用。