基于可调谐半导体激光器吸收光谱的高灵敏度甲烷浓度遥测技术

讨论了一种新的高灵敏度甲烷遥测方法,利用可调谐激光二极管的调制光谱技术扫描甲烷的吸收峰,通过在测量光路中插入参考气池,增强低浓度情况下的吸收峰辨识能力,以提高甲烷浓度遥测信号的信噪比.此外,可以将激光器的中心波长锁定至气体吸收峰的峰值位置从而使仪器工作于吸收峰锁定模式,进行甲烷浓度的连续监测.实验结果表明,在测量距离分别为10 m和20 m时,周围环境中的甲烷积分浓度探测极限可以分别达到5 ppm·m和16 ppm·m.在吸收峰锁定工作模式下,系统在37 m距离处具有22 ppm·m的检出限,并可以监测甲烷浓度的快速变化.     

光学式低浓度甲烷气体传感器的研究

针对0.5%VOL以下的低浓度甲烷气体,设计了一种基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱的光学式甲烷气体传感器.调谐激光器扫描甲烷气体位于1 653.72 nm处的吸收谱线,采用一次谐波"峰-平比"对气体浓度进行测量.该方案能够有效地消除激光器光强波动和其它同类光功率波动所带来的影响,通过标定后的测试实验表明传感器测量准确...     

37Ar测量系统的研制与能谱测量方法研究

建立了移动式37Ar测量系统.采用1 L的正比计数探测器和能谱分析方法对37Ar的测量进行了研究.分析了计数管的坪长、坪斜和本底等特点.结果表明,相比传统的计数方法,采用电子能谱法测量37Ar具有直观、坪长长、坪斜小等优点.相比传统的总计数方法,采用峰本底的方法可以将本底降低约一个量级,从而降低37Ar的探测下限.并研究了工作气体中不同甲烷含量对37Ar的测量能谱和计数管工作电压的影响,结果表明,加入10%的甲烷能够较好的改善37Ar的峰形,当甲烷含量大于10%时,峰形基本保持不变,而甲烷的含量较高时,达到坪区需要较高的工作电压.     

基于可调谐二极管激光吸收光谱遥测CH4浓度

文章对可调谐二极管激光的直接吸收和波长调制光谱进行了理论分析,设计了一套用于研究甲烷吸收特性的测量系统.近红外二极管激光工作在室温下,选用波长为1.65 μm,利用甲烷的2v3带R(3)线实现对甲烷气体的吸收测量,对测量的信噪比和系统的基本噪声源进行了分析,为实现甲烷浓度的在线遥测打下基础.     

TDLAS技术测量燃烧流场温度研究

介绍了TDLAS技术用于燃烧流场诊断的基本原理,比较了直接吸收法与二次谐波法两种测量方法的优缺点,并对TDLAS技术路径积分测量特性进行了分析.基于单台二极管激光器分别建立了两种方法的TDLAS测量系统,直接吸收法测量重复频率为10 kHz,获得了瞬态高温超声速流场温度随时间演化结果;二次谐波法测量重复频率为250 Hz,实现了超燃冲压模拟燃烧室温度的在线测量.对于标定燃烧炉甲烷/空气预混火焰,测量系统在1750 K时温度A类标准不确定度优于0.7%.     

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.     

石墨狭缝中甲烷吸附的分子动力学模拟

用分子动力学模拟研究石墨狭缝中甲烷的吸附,考察狭缝宽度和温度对甲烷吸附的影响.模拟发现甲烷在石墨狭缝中出现分层现象,吸附层中甲烷具有类液特征,第一吸附层内甲烷中总有两个氢原子的连线与另外两个氢原子的连线分别位于平行于狭缝壁的两个平面内,游离层中甲烷呈现气体的特征;碳原子间的平均作用势说明吸附层中甲烷分子间结合能力大于游离层,吸附态是甲烷在石墨狭缝中的主要赋存形式之一;伦敦力以及由吸附层净电荷产生的电场力是甲烷吸附和分层的主要原因;甲烷的吸附量随狭缝宽度增大或温度升高而减少,当狭缝宽度小于16.46Å时,甲烷仅以吸附形态存在.甲烷在第一吸附层中的扩散能力最弱、游离层中最强,甲烷扩散系数随狭缝宽度的增大或温度的升高而增大.     

柴油/甲烷和柴油/甲醇二元燃料着火反应机理比较研究

本文在定容燃烧弹中利用高速摄像技术研究了柴油在甲烷/空气和甲醇/空气氛围中低温着火特性,并基于正庚烷/甲烷简化机理和正庚烷/甲醇骨架机理,对比分析了两种二元燃料的低温氧化路径。试验和模拟结果均表明甲烷和甲醇都能使柴油着火时刻推迟,且甲醇推迟作用更明显,柴油推迟着火现象随甲烷和甲醇当量比增大而更明显,随环境温度升高而减弱。反应路径分析表明,甲烷和甲醇的脱氢反应消耗了大量OH抑制了正庚烷着火,甲醇抑制作用强于甲烷原因在于甲醇消耗OH速率快,且只通过低温下很稳定的H_2O_2分解向自由基池中提供OH,而甲烷消耗的OH少,还能通过链传递反应(CH_3+HO_2=CH_3O+OH)贡献相当数量的OH。     

色谱法监测μ子鉴别器模型工作气体的浓度

本文报导自粹灭流光放电模式μ子鉴别器模型工作气体氩-甲烷-二甲氧基甲烷的混合方法及用色谱法监测工作气体中甲烷和二甲氧基甲烷的浓度. 色谱仪采用热导检测器, 白色担体上涂邻苯二甲酸二壬酯的色谱柱. 利用气体进样阀进样, 通过测量色谱峰与相应定量曲线比较求出混合气中甲烷和二甲氧基甲烷的浓度.     

基于TDLAS技术的全量程激光甲烷传感器

根据煤矿安全生产监控系统对测量甲烷浓度全量程高准确度的需要,基于可调谐半导体激光吸收光谱技术,设计了一种全量程一体化激光甲烷传感器.采用1 653.72nm分布式反馈半导体激光器作为系统光源,单板电路实现激光器驱动、温度控制、信号调制与解调、浓度反演.为兼顾高测量准确度和大动态测量范围,系统在低浓度时利用波长调制技术进行甲烷浓度在线检测;当气体浓度大于阈值时,自动切换到直接吸收检测技术.实验结果表明,该传感器在浓度范围为0~5%内误差小于±0.06%,在浓度范围为5~100%内误差小于真值的±6%,响应时间约为15s,满足矿井实际测量需要.     

Optimum signal-to-noise ratio in off-axis integrated cavity output spectroscopy

The signal-to-noise ratio (SNR) in off-axis integrated cavity output spectroscopy (OA-ICOS) is investigated and compared to direct absorption spectroscopy using multipass absorption cells [tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS)]. Applying measured noise characteristics of a near-IR tunable diode laser and detector, it is shown that the optimum SNR is not generally reached at the highest effective absorption path length. Simulations are used to determine the parameters for maximized SNR of OA-ICOS.     

Gas Sensor Using a Robust Approach under Time Multiplexing Scheme with a Twin Laser Chip for Absorption and Reference

A tunable diode laser absorption spectroscopy nitrous oxide gas sensor at 2.1 micrometres using one antimonide twin laser chip and one InGaAs photodiode is demonstrated, in which time multiplexing techniques are adopted to acquiring both the absorption and reference signal in a robust fluctuation tolerable scheme. Electronics in analogue modality is developed to extracting absorption information and compensating for fluctuations, resulting in a direct analogue voltage output corresponding to the target gas concentration in real time. The performance of the gas sensor is evaluated experimentally, the validity and feasibility of this scheme is also discussed.     

Fiber-distributed multi-channel open-path H2S sensor based on tunable diode laser absorption spectroscopy

Tunable diode laser based gas detectors are now being used in a wide variety of applications for safety and environmental interest. A fiber-distributed multi-channel open-path H2S sensor based on tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) is developed, the laser used is a telecommunication near infrared distributed feed-back (DFB) tunable diode laser, combining with wavelength modulation specby combining optical fiber technique. An on-board reference cell provides on-line sensor calibration and almost maintenance-free operation. The sensor is suitable for large area field H2S monitoring application.     

SG-DBR半导体激光器的光谱技术研究

可调谐半导体激光吸收光谱作为一种高灵敏度、高选择性、非侵入的痕量气体实时检测技术,已在大气监测、工业控制等方面得到广泛应用。采用一种新型宽带可调谐的SG-DBR半导体激光器(可调谐范围1 520~1 570 nm)作光源,并通过自编程序对该激光器设定了18个通道,输出波长分别对应CO,CO₂以及H₂O的吸收谱线中心位置,设计和构建了一个基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱的多组分气体光谱测量系统,描述了相关的光学系统设置,结合波长调制(wm)的二次谐波技术测量其中14个通道(分别对应CO和CO₂的吸收谱线)的吸收光谱,系统获得的CO和CO₂峰值吸收探测极限能够达到10-5。实验结果验证了SG-DBR激光器在波长调制吸收光谱多组分气体检测领域的可行性。在实际应用过程中使用单个SG-DBR激光器可以实现多组分气体的同时测量,有效降低设备成本和系统复杂性。     

准连续激光调制吸收谱的多谐波分析

使用准连续二极管激光器进行多重调制光谱检测时,发现吸收光谱信号中存在着丰富的倍频、和频以及差频成分;从激光与气体吸收谱线的非线性作用角度研究了倍频、和频及差频等信号存在的必然性;从实验角度对信号特征进行研究,发现其中有些和频、差频成分的幅度比传统调谐二极管激光吸收光谱技术中的二次谐波信号的幅度更大,有望在准连续调制谱技术中提高检测的灵敏度。     

CO和CO2的1.58μm波段可调谐二极管激光吸收光谱的二次谐波检测研究

红外可调谐二极管激光吸收光谱技术作为新的痕量气体监测分析方法,在大气化学研究和污染气体监测中得到了应用.文章介绍利用可调谐二极管激光吸收光谱学(TDLAS)技术对常压下的CO和CO2的近红外波段光谱静态测量研究和洛伦兹线型下的CO2二次谐波光谱与调制度的关系.     

Harmonic detection with tunable diode lasers —two-tone modulation

The minimum absorption detectable by a tunable diode laser spectrometer utilising harmonic techniques is often limited by interference fringes generated by scattered light. The sensitivity of the spectrometer to absorption can be increased by applying a jitter modulation. In this paper, the theory of harmonic response for single- and two-tone modulation over optical fringes and Lorentzian absorption lines is developed and compared to experimental measurements. A simple analytic expression for the two-tone harmonic line shape is derived. This expression provides a physical understanding of the effects of the second modulation, and a means to unravel the effects of the second modulation on the linewidth and line shape. For a specific choice of the jitter frequency and phase, it is possible to simultaneously minimise the fringe signal and increase the harmonic absorption signal. The results of this investigation are applicable to trace gas detection using tunable diode lasers, and to other areas of spectroscopy and magnetic resonance where harmonic techniques are used.This work was supported by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, and the Ontario Ministry of the Environment     

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...     

Trace gas detect based on spectral analysis and harmonic ratio

Optical Review - A novel method of gas concentration calibration for tunable diode laser absorption spectroscopy, in which spectral analysis and harmonic signal intensity ratio measurement are...     

可调谐掺铥光纤激光器线宽压缩及其超光谱吸收应用

可调谐二极管激光吸收光谱技术是一种应用非常广泛的吸收光谱测量技术.利用宽带可调谐窄线宽光源进行吸收光谱测量的超光谱吸收技术可以在单次扫描中获取一段连续光谱的所有吸收数据,可大大提高可调谐二极管激光吸收光谱技术的数据信息容量和光谱诊断能力.分析了在2μm波段对水进行超光谱吸收测量时对激光器输出线宽的具体要求.利用掺铥光纤在2μm波段较宽的发射谱,采用可调谐法布里-珀罗滤波器和光纤可饱和吸收体相结合的技术方案搭建了一台宽带调谐窄线宽的2μm光纤激光器.获得了1840—1900 nm约60 nm范围的调谐光谱输出,激光器静态线宽仅为0.05 nm.利用该光源对空气中水在2μm波段的吸收光谱数据进行了超光谱吸收测量,在1856—1886 nm约30 nm的光谱范围内分辨了35条水的吸收谱线.通过对不同线宽条件下1870—1880 nm范围内的理论吸收光谱数据进行对比发现,测量数据无法有效分辨分别位于1873 nm和1877 nm处与强吸收线相邻的两条吸收谱线,且测量结果与激光线宽在0.08 nm条件下的HITRAN2012光谱数据库最为接近.这表明,在动态扫描过程中激光器的线宽得到了展宽.