基于TDLAS的近红外甲烷高灵敏检测技术

为增强甲烷气体检测技术的气体吸收率,提高检测灵敏度,利用可调谐二极管激光吸收光谱技术,采用中心波长为1 653.7 nm的分布反馈激光器作为光源,研制了有效光程为14.5 m的Herriott型气体吸收池,并采用波长调制光谱法进行甲烷气体浓度检测。结果表明,二次谐波峰值信号与甲烷气体浓度成较强的线性关系,线性度为0.998 52,检测下限为4.82 ppm;初始积分时间为1 s时的Allan方差为6.37 ppm;积分时间到112 s时,Allan方差为427 ppb,检测灵敏度为4.27×10^-7。     

用于中红外甲烷检测的压强测量与补偿（英文）

利用一个波长为3.291μm的室温连续、带间级联激光器和一个有效光程长为54.6 m的多通池,研究了用于中红外甲烷检测的压强测量及补偿技术。通过对测得的甲烷直接吸收光谱信号进行洛伦兹吸收线型拟合,测量了吸收池内气体压强并补偿了压强变化对甲烷浓度的影响。利用浓度为2.1×10~(-6)的甲烷气体样品,在1.33×10~4~10.64×10~4 Pa的范围内进行了压强标定;对压强为9.31×10~4 Pa、浓度为2.1×10~(-6)甲烷气体样品的压强测量结果进行阿仑方差分析,结果表明,当积分时间为2.2s时,压强的测量精度约为219.5Pa。在1.33×104、3.99×10~4和6.65×10~4 Pa三种不同压强条件下,对浓度分别为1.0×10~(-6)、1.2×10~(-6)、1.4×10~(-6)、1.6×10~(-6)、2.1×10~(-6)甲烷气体样品的浓度和压强做了15组测量,验证了所给出的压强测量和补偿技术的可行性。     

免标定波长调制吸收光谱技术用于乙炔探测的研究

利用近红外可调谐半导体激光器结合自主设计的柱面镜光学多通池,采用免标定波长调制吸收光谱技术实现了乙炔气体的痕量探测;实验中,使用中心波长为1.53μm的分布式反馈二极管激光器和有效光程为10.5m的柱面镜光学多通池,采用免标定波长调制吸收光谱技术对乙炔气体进行探测,并利用Allan方差对系统性能进行分析;对免标定波长调制吸收光谱技术与传统波长调制吸收光谱技术进行对比分析。结果表明:相比于传统的波长调制技术,免标定波长调制吸收光谱技术具有系统结构简单、灵敏度高以及浓度和光功率免标定等特点,可以提高系统的探测灵敏度和测量精度;使用免标定波长调制吸收光谱技术时,系统的测量误差小于5%,测量精度是传统波长调制技术的3.5倍,平均时间为1s时的系统探测灵敏度为0.127×10~(-6),平均时间为118s时的系统探测灵敏度可达0.031×10~(-6)。     

采用长光程差分吸收光谱技术(LP-DOAS)的中红外痕量一氧化碳检测仪

一氧化碳作为一种危险的开采排放气体,在复杂的井下环境中极易累积,对矿工生命安全造成严重威胁。介绍了一种紧凑型一氧化碳检测仪,该仪器采用激发波长为4.65μm的量子级联激光器作为光源,配合中红外碲镉汞光电探测器与光程长度12m的紧凑型多次反射气室,实现了对痕量一氧化碳气体的检测。自主设计的新型高速光电信号采集系统解决了应用商业示波器造成的信号链阻抗失配的问题。这一新系统的采样带宽为400MHz,采样频率1GSPS,垂直分辨率达到12bit,有效的提高了检测仪的灵敏度与集成度。该仪器采用长光程差分吸收光谱法,通过比较实测光谱与进行Voigt展宽的理论光谱之间的残差得出此检测仪的检测下限为108×10-9。检测仪的测量误差有非平稳,慢时变的特点。根据这一特点我们采用阿伦方差对气体检测仪检测灵敏度进行了估计,经过约40s方差曲线达到极小值,此时阿伦方差值为61×10-9。在2h的稳定性测试中,检测仪稳定度达到2.1×10-3,在长达12h的稳定性测试中,检测仪的稳定度依然可以达到1.7×10-2。此仪器具有较高的灵活性,通过更换不同激射波长的激光器可以实现对多种气体的痕量检测。     

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。     

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     

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。     

基于2μm激光二极管和Herriott多光程吸收池的高灵敏二氧化碳气体传感器（特邀）

为了提高二氧化碳气体检测系统的测量空间分辨率并减小系统体积，设计了一种基于2μm激光二极管和Herriott多光程吸收池的高灵敏二氧化碳气体传感器。设计并加工了有效光程为2.6 m的Herriott池来进行光路折叠。使用中心波长为2μm的激光二极管，覆盖二氧化碳分子在4 989.9 cm^-1处的较强吸收线。采用波长调制技术减小系统的噪声。此外，为系统加载Kalman滤波技术来进一步提高探测灵敏度。实验结果表明，采用该传感器，系统的探测极限在1 s的积分时间下可达到0.18×10^-6，而经过自编程实时Kalman滤波后探测极限可达到0.13×10^-6，提高了27%。采用该传感器对室内二氧化碳浓度进行长达8 h的连续监测，并在暨南大学理工学院楼顶进行了24 h的二氧化碳浓度监测，证明了仪器的稳定性。     

开放光路非相干宽带腔增强吸收光谱技术测量大气NO2

采用蓝色发光二极管(LED)作为非相干宽带腔增强吸收光谱技术(IBBCEAS)系统光源,测量了436～470nm波段内NO2样气的吸收,验证IBBCEAS的高探测灵敏度。通过氮气和氦气两者瑞利散射截面的差异标定了镜片在430～490nm波段内的反射率,并利用纯氧中氧气二聚体(O2-O2)在477nm处的吸收验证了镜片反射率标定的准确性。镜片反射率在461nm处最大且为0.99937,光学腔长度为73.5cm时的最大有效光程为1.17km。当光谱采集时间为20s时,NO2的探测灵敏度(1σ)达到了0.25×10-9。进行了开放光路下环境大气中NO2和O2-O2在454～486nm波段内的吸收测量,结果表明大气中气溶胶等颗粒物的Mie散射消光降低了IBBCEAS仪器的探测灵敏度(1.04×10-9)。大气中O2-O2的测量为IBBCEAS吸收光程的在线标定提供了一种可行的途径。     

白噪声扰动在波长调制离轴积分腔输出光谱技术中的应用研究

离轴积分腔输出光谱技术是痕量气体检测的重要方法,这种测量方法的检测限容易受到残余腔模式噪声和背景噪声的影响。通过注入射频白噪声到激光器的调制电流中,以减小离轴积分腔输出光谱中的残余腔模式噪声,同时利用波长调制技术抑制了背景信号的影响,进一步提高了基于离轴积分腔输出光谱技术的甲烷传感系统的信噪比。首先,详细研究了不同功率射频白噪声对空气中甲烷吸收光谱的影响,并对吸收谱的线宽进行了分析,计算出了不同功率噪声扰动下的吸收谱对应的最佳调制幅度。随后,研究了不同功率的射频白噪声对2f信号的影响。结果表明,随着扰动噪声功率的增加,基线噪声水平和2f信号幅值同时减小。对几组2f信号的信噪比进行分析,确定了射频白噪声提高系统信噪比的最佳功率为-25 dBm。最后,研究了0.05～2.2×10~(-6)浓度范围内,甲烷浓度与2f信号之间的对应关系,结果表明:在甲烷浓度小于1.0×10~(-6)时,甲烷浓度与2f信号之间的线性度为0.999 6;在甲烷浓度为0.1～2.2×10~(-6)时,甲烷浓度与2f信号之间呈曲线关系,二阶多项式拟合的相关度为0.999 89。此外,对浓度为2.2×10~(-6)的甲烷气体进行了长时间的测量,并利用Allan方差对系统的稳定性进行了分析,分析结果表明系统的最佳积分时间为1 250 s,系统的可探测极限约为1.2×10~(-9)。最后,使用建立的甲烷气体探测系统,对大气环境中的甲烷气体浓度进行了长达两个昼夜的检测,结果显示甲烷浓度的昼夜变化规律是昼降夜升,浓度昼夜波动范围在2.02～2.3×10~(-6)范围内,平均浓度为2.14×10~(-6)。本研究为离轴积分腔输出光谱技术在痕量气体测量方面的应用提供了一定的参考,对高精密的原位痕量气体测量仪器的研发具有重要的指导价值。     

硬件可重构近红外波长调制甲烷传感器及应用（特邀）

为了加快气体吸收光谱分析算法的求解速度、重构算法的硬件逻辑，采用现场可编程门阵列（FPGA）器件，结合波长调制光谱技术，研制了一种硬件可重构波长调制甲烷传感器。根据应用功能需求，可在硬件层面重构逻辑电路，从而更新系统工作模式和探测参数。采用流水线技术，对光谱分析算法进行了硬件加速，光谱分析部分的输入与输出之间的时间延迟仅为4.05 ms。实验分析了该传感器在连续、间歇两种工作状态下的波形与电流，证明了该系统工作模式的可重构特性，也证实了采用间歇式工作降低激光气体传感器功耗的可行性。采用正弦信号对FPGA算法部分的功能进行了测试，结果表明，测得的信号幅值与输入信号幅值的线性度达到了99.99%。采用中心波长为2 334 nm的分布式反馈激光器作为光源、光程为25 m的赫里奥特气室作为气体吸收池，开展了甲烷检测实验。传感器的线性度为99.97%，响应时间约为4.9 s。艾伦方差结果表明，当积分时间为0.5 s时，传感器的检测下限为7.8×10-6。开展的甲烷泄露实验证实了该传感器的现场应用能力。设计的FPGA算法，通过硬件编程，可实现传感器工作模式与参数的灵活重构，在激光气体传感领域具有较...     

光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块

石英增强光声光谱(QEPAS)技术是近年来发展迅速的一种气体检测技术,具有灵敏度高、设备体积小、对环境噪声免疫等优点.本课题组设计了一种光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块,并基于气体热动力学和一维声学谐振腔理论,利用COMSOL软件对探测模块的声压分布及声压级进行了研究;然后设计并加工了光机电一体化探测模块,将声学谐振腔、光声池、光纤模块和前置放大模块集成一体,使该模块具有易于准直、稳定性高、抗干扰能力强等特点.采用中心波长为2 μm的高功率中红外分布反馈式激光器,结合波长调制技术,对CO2进行了探测,结果表明,在1 s的积分时间下获得了3.7×10-3的探测极限.通过Allan方差分析发现,积分时间为1123 s时,系统的探测极限可以达到1.34×10-6.采用基于该模块的QEPAS系统可以实现对室内CO2浓度的实时监测.     

高精度中红外大气C_2H_6传感系统的研制

C_2H_6作为温室气体之一,对光化学污染的产生和臭氧层的破坏具有促进作用。C_2H_6在大气中的含量极低,对传感器的探测精度具有较高要求。报道了一种使用中红外连续波长带间级联激光器(ICL)检测大气中C_2H_6浓度的传感器,其测量精度可达到10~(-9)量级。采用容积为220mL、光程为54.6m的多通池增加气体吸收光程,降低检测下限,提高灵敏度。采用LabVIEW虚拟仪器平台编程产生激光器扫描、调制信号及其叠加,通过数据采集卡(DAQ)输出到ICL驱动源。通过DAQ读取探测器输出信号,由LabVIEW程序进行信号的锁相放大及二次谐波提取。实验结果表明:当系统采样时间为1.67s时,阿伦标准差为1.86×10~(-9),且阿伦标准差在平均时间为775s时达到最小值,即系统达到最佳稳定度,为0.026×10~(-9)。将该系统放置于燃气站进行检测实验,证明所研制的C_2H_6传感器具有实用价值。     

一种中红外腔增强甲醛检测系统的研制

介绍了研制的一种基于共轴锁模腔增强吸收光谱技术的中红外甲醛气体检测系统。系统采用了发射中心波长为3.6 μm的带间级联激光器为光源,以高精度F-P谐振腔作为气体反应池,通过激光在谐振腔内的多次反射极大地提高了有效吸收路径。为了实现甲醛检测,利用Pound-Drever-Hall（PDH）技术将激光频率和腔谐振频率锁定至波长为3 599.08 nm的甲醛吸收峰上。实验发现,谐振腔腔长容易受到外界环境的影响产生变化,导致系统失去锁定,产生测量误差;为了抑制这一现象,提高系统的准确性和抗干扰性,采用了动态PDH锁定技术,通过低频锯齿波信号对腔长进行小范围内的周期性调制,使得腔谐振频率在目标气体吸收峰附近缓慢来回变化;通过选择合适的扫描范围使得在扫描过程中激光与谐振腔保持频率锁定。系统通过光电探测器采集谐振腔透射光强信号,通过对腔透射信号进行拟合计算来确定甲醛浓度。为了验证检测系统的有效性、评估系统的性能,采用质量流量计配备了6种不同浓度的甲醛气体样品并开展了甲醛吸收光谱测量实验、系统标定实验和稳定性实验。实验结果显示,在0～10 mL·L-1范围内,腔透射信号拟合值与甲醛浓度之间呈现出良好的线性关系;通过Allan方差分析得到当积分时间为1 s时系统检测下限为52.8 nL·L-1,积分时间为14 s时检测下限可以降至3.3 nL·L-1。此外,通过增加谐振腔的腔镜反射率和腔长可以提高有效吸收路径,进一步降低检测下限。该系统灵敏度高、响应速度快,具有较好的抗干扰性和长期稳定性,在痕量甲醛检测方面具有广阔的应用前景。     

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。     

基于CIC的数字正交锁相放大器的甲烷检测实验研究

针对甲烷在大气中背景气体成分复杂、检测难度大、稳定性差等问题,本文基于可调谐二极管激光吸收光谱技术和波长调制光谱技术,将积分梳状滤波器与有限脉冲响应滤波器相结合应用于数字正交锁相放大器,开展大气中甲烷气体的痕量检测实验研究。实验表明,与传统的数字正交锁相放大器相比较,改进的数字正交锁相放大器提取的二次谐波信号的信噪比从38.61 dB提高到44.95 dB;将非线性迭代最小二乘法-极限学习机算法模型应用于甲烷气体浓度反演,与经典的最小二乘法相比较,其均方根误差减小了0.907;通过16组浓度步进实验测试,该系统的实际检测下限为1 ppm;在压力为600 mbar,温度为25℃,甲烷浓度为50 ppm进行3 h的长期稳定性测试,检测的甲烷浓度变化范围为49.6~50.3 ppm,其标准差为0.0921 ppm。当积分时间达到56 s时,该系统的理论检测极限为25.6 ppb。积分梳状滤波器和非线性迭代最小二乘法-极限学习机算法模型在红外气体检测方面具有较高的优越性和实用前景。     

基于波长调制的离轴积分腔输出光谱技术EI北大核心CSCD

介绍了基于波长调制的离轴积分腔输出光谱(WM-OA-ICOS)技术的实验装置。使用1.392μm的分布反馈式(DFB)激光器作为光源,以反射率为99.8%、相距60cm的两片镜片组成的谐振腔为气体吸收池,选择7185.87cm^(-1)的CH_4吸收谱线,对不同浓度的CH_4气体进行探测。通过优化压力、调制频率、相位和振幅等参数,并结合Allan方差,得出系统的稳定时间为203s。实验选取100s的测量时间,得出CH_4气体的探测极限为8.7×10^(-7),相应的最小的可探测吸收为2.2×10^(-6) Hz^(-1/2)。相对于离轴积分腔输出光谱技术,WM-OA-ICOS技术的灵敏度约提高了21倍。采用二次谐波峰值高度(2f)以及二次谐波峰值高度与一次谐波中值之比(2f/1f)两种方法测量CH_4气体浓度,结果发现,2f/1f方法的稳定性更好,线性度更高。     

可调谐二极管激光吸收光谱法测量环境空气中的甲烷含量

可调谐二极管激光吸收光谱法是在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.介绍了 一套可调谐二极管激光吸收光谱检测甲烷浓度的实验装置.这套装置具有灵敏度高、检测限 低（低于0087mg/m3³）、易于集成为便携式痕量气体检测仪等优点，利用 这套装置实现了对环境空气中甲烷含量的检测. 关键词： 可调谐二极管激光吸收光谱 多次回归 多次反射池     

一种中红外带间级联激光甲烷传感器的研制

甲烷(CH_4)是大气环境监测、工业过程控制、煤矿生产安全等多个领域中需重点监测的气体之一,研制CH_4传感器具有广泛的应用价值。利用CH_4分子在3.31μm附近的基频吸收带并选择其在3038.5cm~(-1)的吸收线作为目标谱线,研制了一种基于中红外室温、连续、单模带间级联激光器(ICL)的CH_4传感器。该传感器采用可调谐激光直接吸收光谱技术以及长光程(54.6m)吸收光谱技术测定CH_4气体浓度。自主研制了高灵敏、低功耗的激光器温度控制器和电流驱动器,编写了基于LabVIEW的数据产生、采集与处理程序。利用体积分数为2.1×10~(-6)的CH_4标准气体和气体稀释系统配备了不同浓度的CH_4气体样品,开展了传感器的性能测试实验。根据传感器标准差的分析结果,当采样周期为2.5s时,传感器的1σ检测下限约为1.1×10~(-8)。利用该传感器对室外大气中CH_4浓度进行了连续84h的监测,结果证实了所研制CH_4传感器的工程实用价值。     

基于TDLAS技术的海水中溶存CO2原位测量实验研究

海洋与大气交换的CO₂通量是研究海-气之间碳循环过程及海洋酸化问题的重要指标,其估算方法主要依赖于海水中CO₂的测量。可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）作为一种常用的气体浓度检测技术,因其具有较好的环境适应性、选择性和较高的灵敏度,亦可发挥出水中溶存气体原位测量的潜力。为验证将TDLAS技术应用到海洋中溶存CO₂原位探测的可行性,将渗透膜脱气技术与实验室研发的TDLAS气体探测样机相结合,实现了海水中溶存CO₂的原位探测。为适应水下的复杂环境,样机整体被设计为铝合金密封舱结构,具有良好的密封性、耐压性与耐腐蚀性。激光光源采用中心波数位于4 990 cm-1的DFB激光器,其波数扫描范围为4 992～4 994.5 cm-1,可覆盖CO₂在4 992.51和4 993.74 cm-1的相邻两条吸收谱线。渗透膜采用具有优秀耐压性与透气性的Teflon AF-2400 X,可满足样机在深水区长期探测的目的。为兼顾较高探测灵敏度与较快响应速率双重指标要求,样机采用了一种小型化多次反射式气体吸收池,有效吸收光程可达8 m,内部仅需气体量24 mL,具有良好的吸收特性。在实验室对样机进行校正实验,使用样机对5种不同浓度(202.8×10-6,503×10-6,802×10-6,1 006×10-6和2 019×10-6)的标准CO₂气体进行测量,测量值与实际值的线性相关度R2高达99.94%,最大相对误差小于8%,减小了样机误差对测量值的影响。为评估样机长时间工作的稳定性,使用样机对浓度为802×10-6的标准CO₂气体进行了30 min的连续测量,平均测量浓度为802.6×10-6,其波动范围仅为10×10-6,样机精度约为0.5%,可满足水中溶存气体探测的要求。选取水深3米的近海码头进行试验,成功获得了24 h水中CO₂的典型吸收光谱及浓度时间序列测量结果,验证了样机水下工作的能力与稳定性。通过在东海海域五处不同深度的区域进行现场试验,成功获取溶存CO₂的典型吸收光谱,证明了结合渗透膜脱气技术的TDLAS探测样机在30 m以浅水域的工作适应性。