基于激光吸收光谱乙炔在线监测技术的研究

乙炔作为有机化工产品原料,广泛应用于化学工业中,但易燃易爆,在储存和工业生产中有必要对其进行实时在线监测.可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术具有高选择性、高灵敏、快速响应等特点,在痕量气体检测中得到了广泛的应用.文章研究了乙炔气体在近红外波段的吸收线分布特征,详细地讨论了基于近红外可调谐二极管激光吸收光谱技术的乙炔在线监测系统设计方案;建立了实验测量系统,研究了信号检测方法和浓度反演算法,对长度10 cm的样品池和已知标准浓度乙炔气体配制的不同浓度乙炔气体进行检测,检测限可以达到1.46 cm3·m-3;进行了动态检测实验,测量结果具有较好的稳定性和可靠性.分析表明系统设计方案可行,由此发展的乙炔在线监测系统可用于乙炔储存、运输和使用过程中泄漏报警.     

可调谐二极管激光吸收光谱法测量气体温度

研究了一种新型的非接触式测温技术——可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)测温技术。介绍了温度测量及调制吸收光谱技术原理,分析了调制幅度对气体温度测量的影响。优选了氧气吸收谱线对13163.78 cm-1和13164.18 cm-1,在搭建的高温实验系统上,实现了气体温度和浓度的同时测量。通过分析实测波形获得了谱线13164.18 cm-1在823~1323 K温度范围内的碰撞展宽系数和温度指数。实验结果表明,在823~1323 K温度范围内,系统温度测量的线性误差为0.65%,最大波动为±15 K。     

结合环境参数修正的高温气体光谱检测系统设计

随着工业化进程加快，大气污染监控已受到广泛关注，为实现工业过程痕量气体浓度的准确监测，采用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)搭建了气体浓度在线监测系统，并以LabVIEW为软件开发平台完成了可视化界面。重点设计了数据处理功能及浓度反演算法，通过同步获取的环境压力参数对特征吸收光谱的有效拟合范围进行修正，提高吸光度信号的准确性，再通过读取的环境温度参数修正气体吸收线强以获得精确的浓度结果。将该系统应用于高温氨浓度在线测量实验中，获得高温不同压力下的氨气浓度测量结果。实验结果表明，在500 K温度下，不经过压力、温度参数修正的最大氨浓度反演偏差为18.81%，通过参数判断后再进行光谱提取和修正，得到浓度最大偏差为3.96%。该系统能够准确反演不同环境参数(压力、温度)下的气体浓度，实现了工业高温现场气体的实时、精确在线测量。     

基于吸收光谱原理的高温水汽浓度测量方法研究

可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy,简称为TDLAS)技术具有高灵敏度、快速响应、非接触式、环境适应性强等优点,能够实现燃烧温度、组分浓度、速度等参量的实时动态在线测量。为准确测量高温下的水汽浓度,采用窄带半导体激光器作为光源,结合实验室的高温测量系统,记录了常压下1.39μm附近水汽在773~1 273K温度范围内的吸收光谱,利用多线组合非线性最小二乘法拟合得到高温吸收光谱的吸光度,找出了两条适合高温水汽浓度测量的吸收线7 154.35和7 157.73cm-1,首次提出高温水汽浓度测量的模型求解方法,该方法测得的高温下水汽浓度符合理论推理,浓度测量的标准误差低于0.2%,相对误差低于6%。通过实验验证了该测量方法的可行性。     

应用于碳同位素丰度测量的激光频率刻度系统研究

对应用于激光吸收光谱法碳同位素丰度测量中的激光频率实时刻度系统进行研究. 采用不同自由光谱范围的共焦法布里-珀罗干涉仪对测量过程中的激光扫描频率进行实时测量. 分别采用线性内插法和多项式拟合法对激光频率每次扫描过程中的频率非线性进行分析,通过对4976–4980 cm^-1波段CO₂吸收谱的多次测量平均的实验结果与HITRAN-2008数据库相应的吸收峰数据进行比较,得到两种方法的激光频率刻度精度均可达到10^-4 cm^-1,线性内插法的刻度精度要好于多项式拟合法. 验证了激光频率实时刻度系统在碳同位素丰度测量中应用的可行性. 关键词： 激光频率实时刻度 共焦法布里-珀罗干涉仪 同位素丰度测量 激光吸收光谱法     

2.0 μm处CO2高温谱线参数测量研究

研究高温下待测气体的谱线属性, 如谱线强度、自加宽系数、空气加宽系数、温度系数等, 为高温环境中可调谐半导体激光吸收光谱技术反演温度、浓度、速度及其场分布提高精度和可靠性起着十分重要的作用. HITEMP数据库中的数据基本上是理论计算结果, 与实际情况存在相当的误差. 为了获得所选2.0 μm处的可用于燃烧诊断的CO₂谱线参数, 本文采用半导体激光器作为光源, 结合实验室的高温测量系统, 记录了700–1300 K温度范围内所选谱线的高温吸收光谱, 获得了各谱线在相应温度下的谱线强度、自展宽系数及温度系数等谱线参数. 测量得到CO₂的5006.978 cm^-1和5007.7874 cm^-1谱线强度与理论计算值相对误差小于11%; 获得了现有数据库缺少的温度系数和高温下自展宽系数数据. 所有各项参数对以后将要进行的燃烧诊断中的CO₂浓度检测有很大帮助. 关键词： 可调谐半导体激光吸收光谱 高温光谱 自展宽系数 温度系数     

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的高速气流流速测量方法研究

以激光Doppler效应为原理,结合可调谐半导体激光吸收光谱技术的窄线宽、可调谐优势, 可实现高速气流流速的实时在线检测.介绍了流速测量的基本原理和方法,搭建了双光路流速测量系统, 利用DFB激光器对位于1398 nm处的水汽吸收线进行10 kHz快速扫描,获得高速气流的实时光谱信息, 并根据两路吸光度曲线之间的Doppler频移来反演气流流速.介绍了频率标定和Doppler频移测量的方法. 在风洞上进行了流速测量验证性实验,将流速测量结果与理论计算结果进行了对比,二者之间符合得较好, 初步证明了该方法的可行性.分析了系统的性能及可能引起流速测量误差的因素,以便系统进一步优化.     

机载成像差分吸收光谱技术测量区域NO2二维分布研究

本文主要介绍了一种快速测量区域大气痕量气体二维分布的方法——机载成像差分吸收光谱(differential optical absorption spectroscopy, DOAS)技术. 该技术基于成像光谱仪, 利用DOAS算法, 对痕量气体大范围分布快速扫描成像, 可实现污染源扩散趋势的可视化观测, 应用于污染源定位、污染源排放率监测、污染物传输演化等研究. 文中详细介绍了研制的机载成像DOAS系统, 并利用该系统开展飞行实验, 快速获取了飞行轨迹上空的NO₂浓度分布. 实验中针对重点关注区域进行扫描测量, 成功获取了高分辨率的NO₂二维分布图, 分析了污染扩散趋势, 并结合风场数据, 估算污染点源的NO₂排放率为1570 kg/h.     

差分吸收光谱法测量大气污染的测量误差分析

差分吸收光谱技术被广泛地应用于测量大气中微量元素的浓度，尽管该技术利用最小二乘法来反演待测气体的浓度，能够得到很高的测量精度。但是，由于仪器本身的噪声以及测量波段其它气体的干扰等，使得仪器的测量有一定的误差，而且上述因素还决定着仪器的测量下限。对差分吸收光谱方法的测量误差以及引起误差的原因作了详细的分析。     

直射太阳光差分吸收光谱法测量合肥NO2 整层柱浓度

直射太阳光差分吸收光谱技术(DS-DOAS)近 年来成功应用于大气痕量气体的垂直柱浓度测量. 本文研究了基于被动DOAS算法可用于连续测量NO₂整层垂直柱浓度的DS-DOAS技术, 介绍了测量系统的构成.利用统计最小值外推法减少了由参考谱引入的误差.分析了测量结果的误差来源, 估算了误差大小.报道了该系统在合肥地区对NO₂进行的连续11天的测量, 分析了测量结 果.通过实验验证了算法的可行性, 证实了该技术可实现连续测量NO₂整层垂直柱浓度.     

单根Sb掺杂ZnO微米线非平衡电桥式气敏传感器的制作与性能

通过使用化学气相沉积法,成功制备出超长、大尺寸的Sb掺杂ZnO微米线.基于非平衡电桥原理,利用单根Sb掺杂ZnO微米线作为非平衡电桥的一个桥臂,制作出了可以在室温环境下工作的气敏传感器原型器件.结果表明:室温下测得该传感器对20,50,100和200 ppm(1 ppm=10^-6)不同浓度的丙酮及乙醇气体的响应-恢复曲线均呈现为矩形形状,在空气及被测气体中均有稳定的电流值,并随着探测气体浓度的增大,器件的响应值也在逐渐增加.此外,还发现器件对丙酮气体具有更好的选择性,当丙酮气体浓度为200 ppm时,该传感器的响应时间为0.2 s,恢复时间为0.3 s,响应度高达243%.通过与普通电导式气敏传感器对比发现,采用这种非平衡电桥结构传感器可以明显地提高响应度,使响应和恢复时间更快.此外,还研究了器件的气体探测机理.     

Single and networked CuO nanowires for highly sensitive p‐type semiconductor gas sensor applications

Development of high‐performance p‐type semiconductor based gas sensors exhibiting fast‐response/recovery times with ultra‐high response are of major importance for gas sensing applications. Recent reports demonstrated the excellent properties of p‐type semiconducting oxide for various practical applications, especially for selective oxidation of volatile organic compounds (VOCs). In this work, sensors based on CuO nanowire (NW) networks have been successfully fabricated via a simple thermal oxidation process on pre‐patterned Au/Cr pads. Our investigation demonstrates high impact of the process temperature on aspect ratio and density of copper oxide NWs. An optimal temperature for growth of thin and densely packed NWs was found to be at 425 °C. The fabricated sensors demonstrated ultra‐high gas response by a factor of 313 to ethanol vapour (100 ppm) at an operating temperature of 250 °C. High stability and repeatability of these sensors indicate the efficiency of p‐type oxide based gas sensors for selective detection of VOCs. A high‐performance nanodevice was fabricated in a FIB‐SEM system using a single CuO NW, demonstrating an ethanol response of 202 and rapid response and recovery of ～198 ms at room temperature. The involved gas sensing mechanism of CuO NW networks has been described. We consider that the presented results will be of a great interest for the development of higher‐performance p‐type semiconductor based sensors and bottom‐up nanotechnologies. (© 2016 WILEY‐VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim)     

Recent advance in hollow-core fiber high-temperature and high-pressure sensing technology [Invited]

The pure-silica hollow-core fiber(HCF) has excellent thermostabilities that can benefit a lot of high-temperature sensing applications. The air-core microstructure of the HCF provides an inherent gas container, which can be a good candidate for gas or gas pressure sensing. This paper reviews our continuous efforts to design, fabricate, and characterize the hightemperature and high-pressure sensors with HCFs, aiming at improving the sensing performances such as dynamic range,sensitivity, and linearity. With the breakthrough advances in novel anti-resonant HCFs, sensing of high temperature and high pressure with HCFs will continuously progress and find increasing applications.     

高温压电材料、器件与应用

作为重要的功能材料,压电材料已经在国民经济的多个领域里有着重要应用.随着现代工业的快速发展,特别是新能源、交通和国防工业的高速发展,功能材料的应用已经从常规使用转向极端环境下的服役.本文综述了具有高居里点的压电材料,包括钙钛矿型压电陶瓷、铋层状结构氧化物压电陶瓷、钨青铜结构压电陶瓷以及非铁电压电单晶等;介绍了其晶体结构特征和高温压电性能、最新研究进展,并列举了一系列的高温压电器件和应用,包括高温压电探测器、传感器、换能器和驱动器等.另外,本文总结了高温压电材料的热点研究问题,并展望了今后的发展方向.     

高温高压下基于TDLAS的二氧化碳浓度测量方法研究

通过具有高灵敏度、非侵入式等特性的可调谐二极管激光吸收光谱技术对发动机气缸工作过程等高温高压燃烧环境进行实时在线检测,是了解其内部燃烧过程进而研发高效发动机的重要手段之一。作为一种重要的温室气体和化石燃料燃烧的主要产物,二氧化碳对于了解燃烧过程具有重要的意义。为了寻找一种能够对高温高压燃烧过程中的二氧化碳浓度进行快速检测的方法,利用工作在室温条件下的近红外可调谐二极管激光器作为光源,以二氧化碳位于5 006.140 cm-1处的跃迁作为传感谱线,结合固定波长的吸收光谱调制技术,通过该CO₂谱线的一次谐波归一化的二次谐波信号峰值实现对高温高压环境中CO₂浓度测量,建立了一种可用于高温高压环境下的组份浓度的测量方法,通过实验验证得出该方法在5 atm压力、500 K温度下和10 atm压力、1 000 K温度下对于CO₂浓度测量的平均标准偏差为3.99%;另外还对实验中所得CO₂直接吸收及二次谐波信号进行了分析,得到了其吸收光谱在高温高压环境下的特性。     

基于时分复用技术的吸收光谱气体温度在线测量研究

可调谐半导体激光吸收光谱技术是一种具有高灵敏度、高选择性的非接触式气体在线测量技术。通过直接扫描多条H2O特征谱线并结合最小二乘算法实现对开放环境气体温度的在线测量。利用HITRAN光谱数据库详细讨论了边界效应对气体温度浓度测量的影响,计算结果表明,扫描多特征谱线并结合最小二乘算法可有效减小边界效应对开放环境气体温度测量的影响。实验中采用时分复用技术同时扫描了7 444.36,7 185.60,7 182.95和7 447.48cm-1四条H2O特征谱线,对管式炉573～973K范围内不同工况下的气体温度进行了测量。吸收光谱测量结果与热电偶信号的最大温差小于52.4K,温度测量最大相对误差为6.8%。     

新型环保绝缘气体反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的红外吸收特性及检测技术研究

六氟化硫气体在电力领域的广泛应用带来日益严峻的环保压力,寻求可替代的新型环保绝缘气体已成为化学及电气学科领域研究的热点。反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯[HFO-1336mzz(E)]气体因其优良的环保特性及高介电强度受到国内外的广泛关注。开展光谱吸收特性及检测技术的研究对深化电气性能的研究意义重大。采用自组装压强、温度可调控多次反射长光程池,组合傅里叶变换红外分光光度计（FTIR）及真空泵等搭建实验测试系统,通过FTIR实验及仿真模拟首先研究了HFO-1336mzz(E)气体在常温常压、1 100~1 350 cm-1波段的红外吸收特性;并对测试背景中可能存在的CO₂和H₂O进行谱线交叉干扰分析;重点研究了压强、温度对HFO-1336mzz(E)气体在1 100~1 350 cm-1波段红外光谱吸收特性的影响;同时基于非分散红外（NDIR）技术对HFO-1336mzz(E)气体低浓度泄漏及高浓度混合比传感器进行了仿真测试。结果表明：HFO-1336mzz(E)的三个强吸收峰的中心波数分别为1 152,1 267及1 333 cm-1,模拟仿真红外光谱与气体实测结果吻合较好;1 333 cm-1处干燥空气背景中CO₂吸收强度数量级低至10-6,在150 nm滤波带宽内水分子峰面积积分影响因子约为1.44×10-3,谱线交叉干扰均可忽略不计,而痕量泄漏检测时需要湿度补偿;选择HFO-1336mzz(E)气体在1 333及1 267 cm-1位置分别作为NDIR技术实现低浓度泄漏及高浓度混合比检测的吸收谱线切实可行;光谱吸收系数及谱线展宽随着压强升高而增大,1 333及1 267 cm-1位置吸收系数随压强的变化率分别为0.273和0.118 cm-1·kPa-1;随温度的升高峰值吸收系数减小,谱线展宽变窄,但不同位置吸收系数变化差异较大,1 333及1 267 cm-1位置吸收系数随温度的变化率分别为-0.105 6和-0.035 cm-1·K-1。传感器仿真测试结果显示1 333 cm-1处5 cm光程可实现0~1 800 μL·L-1低浓度痕量泄漏测试,1 267 cm-1位置2 mm光程可实现0~10%高浓度混合比测试。该研究为基于红外光谱吸收原理的光学气体传感器的研制提供实验与理论依据。     

Diode laser measurement of line strengths and air-broadening coefficients of CO2 and CO in the 1.57 μm region for combustion diagnostics

Spectral measurements of two line pairs of CO₂ and CO in the temperature range 300–1000 K at 1.573 µm were performed using a fiber-coupled distributed feedback (DFB) diode laser. The two line pairs can be used in a tunable diode laser (TDL) absorption sensor for simultaneously detecting CO₂ and CO gas in a single scan of the diode laser. The spectral parameters (line strengths, air-broadening coefficients and the temperature exponent n) of the two pairs are presented. The measured data agree well with existing databases (HITRAN 2004 and HITRAN 2008), the discrepancies being less than 5% for most of the probed transitions. Although the HITRAN database is a useful tool for sensor design, we found that laboratory measurements of the spectroscopic data for the line pair selected for high-temperature sensors are necessary for establishing the uncertainty for accurate measurements.     

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。     

Recent advances in laser-based diagnostics for gaseous flows

Laser-based diagnostic techniques offer unique capabilities for experimentation on gaseous flows. In this paper, we overview recent progress of two concepts: spectrally resolved absorption and planar laser-induced fluorescence (PLIF) imaging. The absorption measurements utilize tunable diode lasers (TDLs) as light sources. Recent TDL applications include a wavelength-multiplexed system for rapid temperature sensing for use in combustion control, and absorption probes for time-resolved measurements of temperature, velocity and species concentrations in a hypersonic shock tunnel. Recent PLIF work includes applications to supersonic, exothermic flowfields relevant to ram accelerators, and development of a method for imaging temperature in air flows using acetone seeding.