相对湿度对光声信号的影响研究

共振型光声光谱系统容易受到外界环境的影响,其中相对湿度对光声信号的影响会直接降低光声光谱技术在进行痕量气体检测或气溶胶光吸收系数测量时的准确性。利用自制的U形光声池,搭建了一套相对湿度可精确调节的光声光谱测量系统,通过测量不同相对湿度下光声系统的性能参数,分析了相对湿度对光声信号的影响,获得了不同相对湿度下光声信号的修正参数。利用该参数,测量了7172.699cm-1波长处水分子的吸收,并定量分析了相对湿度的影响。该研究结果为光声光谱技术在不同相对湿度环境条件下的应用提供了重要参考。     

基于微型非共振腔的石英增强光声光谱用于氦气纯度分析的实验研究

实验中设计了一种基于微型非共振腔的石英增强光声光谱痕量气体传感器, 用来检测非纯氦气中的痕量氨气浓度. 该传感器采用的微型非共振腔只在空间上限制声波扩散以达到增强信号目的, 而不是像传统微型共振腔一样依靠共振效应. 如此的设计使探测小分子无机气体的光谱测声器尺寸远远小于共振腔的配置而有利于准直. 不同气压下的信号和噪声也被研究, 用来优化传感器性能. 在这种配置下和27.7 kPa的最优气压下, 获得的最佳氨气探测灵敏度为463 ppb (1σ , 1 s积分时间), 相应的归一化噪声等效吸收系数为4.3×10^-9cm^-1W/√Hz. 关键词： 气体传感器 石英增强光声光谱 音叉式石英晶振 类氢气体纯度分析     

TDLAS波长调制法中调制深度与高次谐波中心幅值关系的研究

可调谐半导体激光光谱技术（TDLAS）是近年来发展十分迅速的光谱检测技术,相较于其他光谱检测技术,它具有高灵敏度、高分辨率、实时监测、便携性好、小型化等优点,在工业环保、医疗检测、气象监测等领域得到了广泛的应用。TDLAS波长调制法中谐波信号易受气压影响,经研究发现气压的影响是调制深度对谐波信号的影响,基于TDLAS技术谐波法的原理,研究了各次谐波与调制深度的关系,通过计算四次谐波与二次谐波中心幅值比,利用调制深度函数推算当前气压环境的调制深度,调整调制频率幅度,使得调制深度接近各次谐波最佳调制深度值,使谐波信号信噪比最佳,提高检测精度。实验通过国瑞智GRZ5031湿度发生器产生固定为1 000 ppm的水汽,调节气阀控制密封箱内不同的气压环境,采用TDLAS水汽检测系统获得了10.2~177.9 kPa气压条件下的二次谐波和四次谐波信号,并进行了仿真与实验分析。仿真结果显示：四次谐波与二次谐波中心幅值比的理论值和仿真值最大相对误差为-1.44%,调制深度的理论值与仿真值最大相对误差为1.78%,说明了仿真下的调制深度函数曲线与理论一致。实验结果显示：根据调制深度函数推算调制深度值,当m=2.226 7时,实测的二次谐波中心频率幅值达到最大值,当m=4.061 0时,实测的四次谐波中心频率幅值达到最大值,与理论结果一致;在30.2 kPa<p<177.9 kPa时,调制深度与气压乘积mp值相对误差较小,最大相对误差不超过±3.2%,说明了此气压条件下的mp值波动不大,通过调制深度函数推算的调制深度值与实际值近似,验证了调制深度函数理论的准确性。     

基于共振型高灵敏度光声光谱技术探测痕量乙炔气体浓度

乙炔气体作为判断变压器运行状态的一种故障气体,其浓度的高低反映了变压器的运行状况,因此对其浓度的探测在变压器的维护中具有重要意义。为了准确探测变压器运行过程中产生的乙炔气体浓度,为变压器的维护提供技术参数,针对基于DFB激光器的共振型光声光谱技术痕量乙炔气体检测技术开展研究,对传统的光声光谱探测系统进行改进。根据光声光谱技术的理论可知,光声信号的强度与入射激光的功率成正比,所以在光声池的出射窗口采用一个平面反射镜将红外光再次反射到光声池中以增加入射光功率,增强光声信号强度,进一步提高了光声系统的探测灵敏度。通过一定浓度的乙炔气体在不同调制频率和不同调制深度下光声信号强度的变化,确定光声探测系统的最佳调制频率和最佳调制深度为767 Hz和0.3 mV。利用不同浓度乙炔气体对系统进行标定,然后采用最小二乘法对光声信号与气体浓度进行拟合,二者具有很好的线性度。通过Allan方差计算可知,系统在平均时间达到200 s时,能够达到最低探测极限浓度。实验表明,在一个大气压下,积分时间为10 ms时,改进后的共振型光声光谱探测系统对乙炔气体的最低探测极限浓度达到了0.3 μL·L-1。还将小波去噪技术引入到低浓度下乙炔气体的光声信号处理中,有效消除了低浓度气体光声信号中的噪声,提高了信噪比。设计的共振型光声光谱探测系统操作简单,最低探测浓度符合国标中对变压器维护过程中对乙炔气体的探测需求,在变压器维护领域具有广阔的应用前景。     

高浓度气体共振光声光谱信号饱和特性研究

采用恒流驱动耦合机械斩波技术在激光光声光谱装置上系统测量了5%—100%宽浓度范围甲烷气体的共振光声信号,发现在高浓度区共振光声信号呈现异常的饱和特征.基于气体吸收和光声光谱原理定量分析了光声信号饱和的主要原因及影响因素,研究表明,气体样本对入射光强吸收而导致的声源与本征共振模式的耦合系数改变是异常饱和的主要原因,并导出判定光声信号饱和深度的准则以用于判定高浓度气体饱和深度。     

光声光谱多组分气体检测技术研究进展

光声光谱气体检测技术是利用光声效应实现痕量气体检测的一项重要技术,具有高灵敏度、高选择性、零背景信号、可实时在线监测等优点,在环境监测、采矿冶金、能源电力、医疗卫生等领域发挥着至关重要的作用。考虑到气体检测应用环境的复杂性,实际的检测环境往往是多种组分气体同时存在且需要监测每种组分气体的含量,此时对多组分气体进行同时检测的技术就显得尤为重要。首先介绍了光声光谱气体检测技术的基本原理和特点,主要从光源和光声池的角度阐述了以光学复用方法为核心的光声光谱技术在多组分气体检测中的应用,并分析了石英增强光声光谱技术的特点及其在多组分气体检测中的应用,最后对光声光谱多组分气体检测技术的发展趋势进行了总结与展望。     

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。     

基于远距离激光测振仪的痕量危险品探测

光声/光热光谱技术已经广泛应用于痕量危险化学品和爆炸物的探测,并显示出高效的探测能力。然而,该技术通常需要在光声池中进行分析,并使用高灵敏度麦克风或压电传感器记录振动信号,因此不适用于在安全距离外的开放环境中探测泄漏的危险物质或爆炸物。为此,利用强度调制的量子级联激光器（QCL）激发微量固体（聚四氟乙烯）和气体（丙酮）的光声效应,借助自主研发的远距离激光多普勒测振仪（LDV）对QCL产生的光振动信号进行检测。通过扫描QCL的波长,测量振动信号的幅值并获取光声光谱,其结果与傅里叶变换红外光谱的结果高度一致。实验结果表明,自制的远距离LDV可以在距离达200 m的开放环境下有效地检测痕量固态和气态化学品的光声信号。     

基于吸收光谱和激光干涉技术的气体压力测量方法研究

气体压力光学非接触测量是目前激光技术重要应用领域之一,其中气压测量过程中温度耦合问题是现在面临的研究难点。故而提出一种光谱测量技术与激光干涉技术组合测量方法,通过积分吸光度和折射率融合的方式实现气体压力、温度解耦的目的。分析可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS)的直接吸收法测量原理和基于折射率的激光干涉测量原理,建立基于吸收光谱的气压测量模型和基于折射率的激光干涉气压测量模型,通过利用三次多项式拟合吸收谱线强度函数的方式,建立了基于积分吸光度和折射率的气体压力、温度解耦的数学模型。实验搭建了基于TDLAS技术和激光干涉技术的气体压力检测系统,采用中心波长为2 004 nm的可调谐半导体激光器和波长为632.8 nm的激光干涉仪,气室长度为24.8 cm,将CO₂作为研究对象,并以高精度压力控制器和温度传感器的测量结果分别作为压力温度参考值,以真空为背景信号,在室温环境中测量并计算出气体压力变化后积分吸光度值和折射率值,进而解算得到气体压力和温度值。实验结果显示：压力测量结果最大相对误差为3.61%,最小相对误差为0.5%,测量平均相对误差为1.99%;在以开尔文温度为前提下,温度解算结果最大绝对误差为7.66 K,最小绝对误差为0.78 K,测量平均绝对误差为3.29 K,测量结果与参考结果具有较高的吻合度,该研究可为以后光学法测量气体压力温度影响分析提供参考。     

一种光纤光声SO2气体浓度传感器的研究

论述了光声光谱信号的产生原理,研究了一种新型光声光纤SO2气体浓度传感器,建立了适合应用光纤作为传感器的数学模型。采用染料激光器作为激励光源,用光纤位移传感器代替传统的微音器,测量被气体吸收并转变为声压信号,从而对SO2气体浓度进行测量。给出了实验结果,分析了影响灵敏度的主要因素,提出了相应的改进措施。     

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HITRAN光谱数据库的TDLAS直接吸收信号仿真研究

对TDLAS直接吸收信号进行仿真研究,能够充分了解TDLAS直接吸收的过程以及各个物理参量的变化对吸收信号的影响。首先全面研究分析了TDLAS直接吸收方法的理论基础及算法,给出了基于朗伯-比尔定率的气体吸收线强、吸收截面、浓度、线型函数以及气体总体配分函数等参量的表达式及计算步骤。基于HITRAN光谱数据库,利用MATLAB程序对TDLAS直接吸收过程进行了仿真,计算得到了一定温度、压力、浓度等条件下的吸收谱数据。以H₂O为研究对象,仿真了其在各个线型下的吸收谱,并与商用软件Hitran-PC的结果进行比较,结果显示两者在Lorentz线型下的最大误差小于0.5%,在Gauss线型下的最大误差小于2.5%,在Voigt线型下的最大误差小于1%,因此验证了仿真算法及结果的正确性。还对不同压力和温度下ν₂+ν₃谱带H₂O的吸收谱进行了仿真,研究了吸收谱随压力和温度变化规律。在低压范围,多普勒展宽占主导,线宽随压力变化很小,而幅度随压力增大而增大,在高压范围,碰撞展宽占主导,线宽随压力增大而增大,而幅度则随压力增大而趋于定值。最后还给出了大气环境温度范围内的温度修正曲线。该研究可以为TDLAS直接吸收方法的实际应用提供理论参考和指导。     

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。     

痕量气体可调谐激光二极管吸收光谱分析系统在线自校准技术研究

可调谐激光二极管吸收光谱技术(TDLAS)是最有潜力的痕量气体在线监测技术之一。受测量原理的限制,其测量结果受温度和气压影响很大,目前多采用现场安装传感器来测量温度和气压信息,以对该误差进行修正。提出了利用在线参考气室对TDLAS系统中温度、气压变化引起的测量误差进行在线自校准;该参考气室内包含标准浓度的被测气体,并带有能变形的压力膜盒,工作的时候,该气室被放置在被测气体工作环境中,能自适应地调整室内气压和温度;在一次扫描过程中同时测得工作光路和参考光路的吸收光谱,并求得二者的吸收谱线强度比,即可得到校准后的被测痕量气体的浓度,无需考虑温度和气压影响;还介绍了这一自校准系统的原理、设计、实验和现场应用。     

可调谐二极管激光吸收光谱射流强化

可调谐二极管激光吸收光谱分析技术(TDLAS)是近年来兴起的一种痕量气体分析方法。因其高分辨率、高分析速度、非接触测量、可实时在线监测等优点,受到人们广泛青睐,已经广泛应于科研和工业自动化等领域的气体检测中。为了满足分析仪器测量灵敏度和精度的要求,对于很低浓度和信噪比较小的痕量气体浓度测量,往往需要较长的吸收光程和复杂的数据处理算法,这增加了分析仪器的软硬件成本。本文提出利用高压气体射流产生的减压作用,在不改变TDLAS分析仪器软硬件设置的条件下提高TDLAS的分析能力。对于安装于样气压力为0.3～0.5 MPa和排气压力为219.3 kPa的TDLAS分析系统,实验结果表明,通过射流强化的方法,可以使信噪比提高24倍,探测灵敏度提高一个数量级,测量精度提高6.3倍。     

基于TDLAS技术的CH4气体检测与温度补偿方法

CH₄气体的精准检测对防止矿井瓦斯爆炸,确保安全生产至关重要。目前基于可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）存在因温度变化导致气体浓度测量误差较大。探究了基于TDLAS的CH₄气体检测系统与温度补偿方法,分析温度对CH₄气体吸收谱线的影响,通过算法补偿模型消除环境温度对CH₄气体检测的影响。依据TDLAS技术原理及相关理论,对系统发射单元、吸收池、信号接收单元、数据处理单元进行设计,搭建了基于TDLAS技术的CH₄气体浓度检测系统,实验检测了不同环境温度（10~50 ℃）时0.04%CH₄气体浓度,分析温度变化对CH₄气体在波长为1.653 μm处吸收谱线强度和半宽度的影响。为消除温度对CH₄气体检测的影响并提高补偿效果,采用粒子群优化算法（PSO）优化BP神经网络（BPNN）的最佳权值和阈值,建立CH₄气体的PSO-BP温度补偿模型,克服了BP神经网络收敛速度慢、易陷入局部最优的缺点。结果表明：（1）基于TDLAS的CH₄气体检测浓度随环境温度升高而下降,整个实验温度内相对误差范围为4.25%~12.13%,不同环境温度下CH₄气体检测浓度与温度之间的关系可用一元三次多项式表示;（2）CH₄气体的吸收强度和半宽度随着温度的升高而下降,与温度变化之间的关系为单调递减函数,温度对CH₄气体吸收谱线强度的相对变化率大于吸收谱线半宽度的相对变化率,CH₄气体吸收谱线的强度更容易受温度变化的影响;（3）BP神经网络和PSO-BP模型测试样本的绝对平均误差（MAE）分别为12.88%和1.81%,平均绝对百分比误差（MAPE）分别为2.3%和0.3%,均方根误差（RMSE）分别为15.96%和2.69%,相关系数R2分别为0.980 6和0.999 6。通过建立PSO-BP温度补偿模型,补偿效果大部分分布在±1.0%的误差范围内,MAE,MAPE,RMSE和R2等评价指标均大幅度提升,对提高TDLAS技术在矿井CH₄的精准检测具有一定的参考意义。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的氧气测量方法的研究

O₂是工业过程中广泛应用的重要气体, 在工业生产环境下实现O₂浓度的快速在线检测对提高燃烧效率和节能减排具有重要的意义。可调谐半导体激光吸收光谱谐波探测技术是一种具有高灵敏、高选择性、快速响应等特点的气体检测新技术,该技术利用了半导体激光器的可调谐和窄线宽特性,通过精心选择待测气体的某条吸收线可排除其他气体的干扰,实现待测气体浓度的高灵敏快速在线检测。文章以可调谐分布反馈(Distributed feedback, DFB)半导体激光器作为光源,通过波长调制方法对760 nm附近氧气某一吸收线的二次谐波信号测量,从而实现了对氧气浓度的快速在线检测。系统指标达到：检测范围0.01%～20%;检测精度0.1%;长期稳定性1%。     

The limits of signal averaging in atmospheric trace-gas monitoring by tunable diode-laser absorption spectroscopy (TDLAS)

Modern research in atmospheric chemistry requires highly sensitive techniques for the measurement of concentrations of free radicals which determine the rate of photochemical destruction of most atmospheric pollutants. Tunable diode-laser absorption spectroscopy (TDLAS) has already been successfully used for measurements of very low concentrations of stable gases, but further improvement in its sensitivity by signal averaging has been limited by the stability of the instrument. In this paper the concept of the Allan variance is utilized to analyze the stability of an existing frequency-modulated (FM) TDLAS instrument leading to a detection limit for NO₂ of 34 pptv at 6 Hz detection bandwidth. The stability of the instrument allows averaging over 60 s. Taking into account the measuring cycle consisting of the determination of the sample spectra and zero air spectra as well as gas exchange in the absorption cell, the detection limit achievable with this particular instrument was 10 pptv within 25 s under laboratory conditions. Possibilities of further improvement of the detection limit are discussed.     

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。