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.     

可调谐二极管吸收光谱痕量气体浓度算法的研究

基于可调谐二极管激光吸收光谱学的大气痕量气体在线监测分析仪具有高灵敏、快速响应和高选择性的特点。分析了可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)二次谐波信号的特征,以高浓度谐波信号作为标准,采用线性最小二乘拟合的方法对谐波信号进行数值拟合,高精度的反演出了痕量气体浓度值。并对标准信号和检测信号之间的相关系数和浓度反演规律进行了研究。以甲烷气体的测量信号和浓度反演为例,验证了算法。     

光谱学 激光光谱学

O433.54 2006042918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=Concentration calibration method of am-bient trace-gas monitoring with tunable diode laser absorp-tion spectroscopy[刊,中]/阚瑞峰(中科院安徽光机所环境光学与技术重点实验室.安徽,合肥(230031)) ,刘文清…∥光谱学与光谱分析.—2006 ,26(3) .—392-395可调谐二极管激光吸收光谱法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。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…     

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。     

基于可调谐激光的CO监测仪的不确定度评定

采用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)对CO气体的浓度进行测量,应用整体二次谐波最小二乘法对测量信号的实验数据进行反演处理。基于可调谐二极管激光吸收光谱技术, 对CO在线监测仪测量结果的不确定度来源进行了分析, 采用直接评定法对各种因素引起的不确定度分量、标准不确定度和合成不确定度进行了评定。实验结果表明, 仪器示值引入的不确定度、标准气体浓度定值的不确定度以及环境温度变化和电源电压波动引入的不确定度是影响测量不确定度的主要因素。     

大气光学遥感监测技术现状与发展趋势

针对开展环境空气中的痕量污染气体监测研究的需求,综述了目前应用较广的光谱遥感监测技术。阐述了利用光学遥感技术监测大气环境的工作原理,详细介绍了几种主流的大气监测技术,包括傅里叶变换红外光谱技术,差分吸收光谱技术,激光长程吸收技术,可调谐激光二极管吸收光谱技术,差分吸收激光雷达技术,指出了上述监测方法的特点并对它们的优缺点进行了分析与比较。     

基于PCA-SVM的飞机蒙皮激光分层除漆LIBS在线监测研究

飞机蒙皮激光除漆过程的在线监测,是实现分层可控除漆、满足适航维修要求的重要手段,也是推进激光除漆工程应用、飞机维修自动化的核心技术。激光诱导击穿等离子体光谱(LIBS)技术可通过激光材料作用过程中产生的等离子体发射光谱快速分析材料表面元素变化,实现激光清洗表面状态的在线监测。基于搭建的高频纳秒红外脉冲激光除漆LIBS在线监测平台,分别采集了不同激光功率下,面漆、底漆、铝合金基体去除过程中的3类LIBS光谱(各100幅)。分析了不同激光功率下,各类光谱示踪元素特征谱线的变化情况,初步筛选了12条特征谱线作为光谱识别的特征。进一步对这12个特征进行主成分分析(PCA),并将前3个主成分(PC1、 PC2、 PC3)构成的数据集作为支持向量机(SVM)识别模型的输入量,建立了3类光谱的识别模型。形成了多漆层结构激光分层可控清除过程的LIBS在线监测判定规则,并对该规则的有效性进行了实验验证。结果表明,与低频脉冲激光单点作用采集的针状LIBS光谱相比,基于该平台采集的LIBS光谱普遍存在较强的连续背景(大于5 000 a.u.)以及1.5 nm左右的半峰全宽;针对此类光谱设计了改进均值平滑滤波...     

可调谐半导体激光吸收光谱监测农田气体通量特性研究

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)具有高选择性,高灵敏度等特性,非常适合监测农田痕量气体交换过程。采用开放式光程的可调半导体激光吸收光谱和非分散红外光谱技术,在封丘农田进行了一个月监测试验。选择CO2作为目标气体,用两种不同光谱技术选择不同的通量计算方法,分别获取农田排放通量。根据实验条件,提出了TDLAS的通量印痕模型,对比分析了两种技术的空间代表性特性,同时分析了数据误差来源和不同外界因素对通量测量的影响特性。结果发现在相同的气象条件下,仪器架设高度越高,光学路径越长,开放光路的TDLAS通量贡献区就越大。这些结果对通量监测中仪器安装有很好的指导意义。     

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。     

基于激光吸收光谱开放式大气CO_2的在线监测

二氧化碳(CO2)作为最主要的温室气体,引发的气候变化和生态环境问题已经成为世界关注的焦点,因此在线监测环境大气中CO2浓度,分析牛态系统的CO2通量是重要任务.将可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术与开放式长光程技术相结合没计了大范围CO2监测仪,系统选择CO2在近红外1.57 gm附近的吸收线,以30 s的时间分辨率对城郊大气CO2浓度进行了连续测量,得出日变化和连续监测结果.结果表明在无污染排放源的城市郊区,大气中的CO2具有明显的日变化周期性,基本特点是白天浓度低,夜间浓度高.监测仪不需要气体采样、具有岛灵敏度、高分辨性、可快速在线监测、调校简单等优点,检测限可以达到4.2×10-7.为生态系统中的温窀气体大范围通量监测提供了有效的方法.     

改进阈值提升小波和自适应滤波器的开放光路红外光谱去噪

大气污染物的主要组成成分为挥发性有机物(VOCs),傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)是现阶段应用广泛的挥发性有机物在线测量方法。开放光路获取到的大气红外光谱(OP-FTIR)易受各种噪声污染,如何有效、快速的去除红外光谱中的噪声是大气在线实时监测系统研究的热点。综合利用提升小波变换结构简单、运算量低的优点以及最小均方误差自适应滤波器的自动调节参数以达最优化滤波的性能,提出了一种改进阈值提升小波结合自适应滤波的红外光谱去噪算法。该算法先通过改进阈值小波系数的提升小波去噪,在去噪的同时保留更多光谱特征信息,然后使用提升小波变换分解出的高频系数重构出噪声相关信号,将其作为最小均方误差自适应滤波器的参考输入进行二次滤波处理,最终获得的去噪信号很好的去除了与特征光谱频谱重叠的噪声信号。分别对人工添加噪声的标准红外光谱和合肥市市区上空实测开放光路红外光谱进行去噪处理,结果显示使用该算法处理后的光谱信噪比(SNR)较离散小波传统阈值去噪方法高出3db,均方根误差(RSME)平均减少30%左右,运行时间减少46%。表明该算法计算简单、运行速度快,对于大气环境监测实时消噪系统具有重要的实际应用意义。     

多成分有机气体的近红外光谱定量检测方法

在环境检测领域,运用近红外光谱分析技术对多成分挥发性有机物进行连续的在线监测具有重要意义。本文分析了三种挥发性有机物——丙烷、丙烯和甲苯的近红外光谱特征和丙烯浓度与吸光度的线性关系,采用线性回归建模方法——偏最小二乘法对丙烷、丙烯和甲苯混合气体存在特征吸收的近红外光谱(1 620～1 750 nm)进行了建模分析,基于该模型预测了验证集样品中三种气体的含量,并对模型进行了评价。实验结果表明,近红外光谱技术可以方便、准确的定量分析有机性挥发气体的多组分含量,可以应用于多成分挥发性有机物的连续在线监测。     

FTIR固定污染源VOCs在线监测系统

挥发性有机物(VOCs)造成了全球环境污染,给人们日常生活工作带来不利影响。对挥发性有机物进行高效准确监测成为我国大气环境治理的热点。与其他污染物气体相比,VOCs更易挥发并可以和其他污染物发生反应,其物理化学性质的复杂性对已有的检测方法提出了很高的要求。在众多的气体检测方法中,光谱检测技术以其方便快捷、检测准确等优点得到了广泛应用。傅里叶变换红外光谱(FTIR)作为光谱检测技术中重要的一员,不仅可以多通道快速检测,还可以分析上百种污染物种类并实时计算污染物浓度,解决了VOCs气体性质复杂带来的困扰。开展了固定污染源VOCs在线监测系统的研制,整套系统基于傅里叶变换红外光谱,干涉仪出射的红外干涉信号被10 m光程的气体池中的目标气体吸收后进行傅里叶变换,得到含有气体特征吸收峰的红外光谱;将红外光谱与标准谱库的数据进行对比分析即可实现对目标气体的种类鉴定和浓度测量。系统覆盖650～4 000 cm-1光谱范围,由于大多数VOCs在中红外指纹区具有相对独立的吸收峰,因此可实现对多种气体的分析检测。光谱分辨率为1 cm-1,浓度检测范围为1.6～319.47 mg·m-3(以苯为例)。系统对甲苯、丙酮、乙酸乙酯等十几种VOCs进行分析测试,得到不同气体的红外光谱图,与标准数据库吻合得很好,并且可以根据不同气体的吸收峰对其进行区分。为了得到气体的准确浓度,需要对仪器进行标定。为降低气体在气体池内腔和反射镜上的吸附并控制水蒸气含量,加入温控系统对气体池温度进行实时监测。实验中通入不同浓度的二甲苯标准气体,利用五点标定法得到分析浓度与标准浓度之间的关系,分析浓度的相对偏差小于0.06%。为验证系统在实际工作场景下的性能,选取某喷涂车间,对喷漆过程中溶剂和稀释剂挥发形成的VOCs污染进行一周的监测,得到苯、甲基乙基酮、异丙醇以及乙酸乙酯四种主要污染气体的浓度变化。设定浓度安全阈值为安全作业提供参考。从长时间测试数据分析,系统平均无故障时间(MTBF)长达1 000 h,可长时间稳定可靠地实时监测。     

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.     

光谱测量在激光加工在线监测上的应用研究进展

随着现代工业的发展,复杂加工环境和对象、大动态范围、高效率和高精度激光加工需求愈加迫切,在线监测并实时优化激光加工参数是一条重要的解决途径。与此同时,激光与物质相互作用时可产生与加工参数、加工过程和目标特性密切相关的光信号和表面光学特性变化,在线测量光信号光谱可分析加工过程和状态,故光谱测量有望成为一种重要的激光加工在线监测手段。实际上,光谱测量已应用于激光焊接、激光切割和钻孔、激光清洗打磨、微纳结构制备和增材制造等几乎所有激光加工工艺,具有分辨率高和光谱信息丰富等特点。分析和总结了用于激光加工在线监测的光谱测量技术,包括等离子体光谱、反射光光谱和非线性光信号光谱等。基于单脉冲和多脉冲激光加工激发等离子体信号的光谱测量,除实现化学成分定性和定量监测外,还可以根据特征谱线相对强度变化实时调焦,根据等离子体温度监测和调控激光加工过程中与热效应相关的物理过程;作为一种无损伤且工作距离较远的监测方法,反射光光谱监测可通过测量特定波段反射光信号光谱积分功率、特征谱线和波段位置和强度来有效监测材料表面清洁度、损伤、色度和成分变化等;而在特定条件下产生的谐波信号、荧光信号和拉曼信号等非线性光信号,尽管应用场景有限,但提供了一种实现成分、焦距和材料损伤等监测的新方法。进而,展望了光谱测量在激光加工在线监测上应用的未来发展趋势,包括多种光信号的光谱协同监测与光、声、温度及图像等多种信号测量的复合监测。同时,人工智能技术与在线监测和激光加工的深入结合将进一步推动激光加工技术的智能化发展。     

空间调制傅里叶变换红外光谱仪多级微反射镜倾斜误差分析

空间调制傅里叶变换红外光谱仪无可动部件,系统稳定而紧凑,而且程差可控,可实现在线监测和实时检测。多级微反射镜是光谱仪干涉系统的关键器件,其在系统中的位置精度对光谱仪性能影响很大。本文对多级微反射镜的倾斜误差引起的光程差变化进行了理论计算,并利用光学软件进行了模拟仿真。分析结果表明,随着多级微反射镜倾斜角度的增大,干涉图对比度下降,对应的光谱图脉冲谱线展宽,信噪比下降,严重时会出现波数偏离。以上分析方法对后期系统公差分配及装调有着重要的指导意义。     

On-line monitoring of biogenic isoprene emissions using photoacoustic spectroscopy

Isoprene (C₅H₈) is one of the most important biogenic volatile organic compounds (VOCs) in the atmosphere. To calculate the impact of isoprene on atmospheric processes models have been developed that describe the isoprene release from plants. Measurements of this release require techniques for a fast, sensitive, on-line isoprene detection. Photoacoustic (PA) spectroscopy is applied here for the first time to monitor biogenic isoprene emissions. A CO overtone PA spectrometer is used for the detection, probing the C-H stretching vibrations in the 3 to 4 μm range. This allows us to detect isoprene down to a few ppb with a time resolution of one minute in a continuous gas flow. The number of laser lines can be adjusted to meet the requirements of the respective experiment in terms of time resolution and selectivity against other possibly interfering VOCs. This results in a highly versatile instrument for the isoprene detection in biological experiments. Furthermore, the infrared fingerprint offers the potential to detect different isoprene isotopomers simultaneously, thus allowing us to carry out on-line labelling experiments. The new apparatus was used to study the light dependence of isoprene emission from Eucalyptus globulus. The results demonstrate, that the detector system is a promising tool for the study of plant gas emissions. It allows the validation of existing emission models which are important for atmospheric processes. Received: 18 March 1999 / Revised version: 23 August 1999 / Published online: 30 November 1999     

Pollution control and depollution processes by plasma techniques

The European Union is creating strict standards for air and water pollution and waste treatment and implementing aggressive regulations. Compliance with these regulations is impossible without the development of new depollution processes involving plasma or laser technology. Time is one of the major problems in monitoring pollutants with the use of the time-resolution laser-induced breakdown spectroscopy technique, which can perform online analysis without sampling with a high level sensitivity for all the species of the Periodic Table. Plasma-enhanced desorption from fly ashes or polluted soils associated with a mass spectrometer or an optical emission spectrometer allows the monitoring of volatile organic compounds (VOCs) and organochlorine species in a few seconds. In the last DBD point, we present the treatment of VOCs in air by the plasma technique in order to destroy or trap PAH molecules.     

空气质量监测的高灵敏差分吸收光谱学技术

差分吸收光谱学技术以其多组份、高灵敏、连续实时在线的测量方式正成为空气质量监测的理想工具,是空气质量污染指标常规在线监测技术的发展方向。介绍了差分吸收光谱学技术的原理、关键技术以及所研制的空气质量自动监测系统。重点介绍了该项技术在环境空气质量自动在线监测中的应用。     

金刚石近红外增透滤光保护窗口的制备及应用

报道金刚石近红外增透滤光保护窗口的研制及其在工业中的应用。采用热灯丝化学气相沉积方法成功地制备出金刚石近红外增透滤光保护窗口，其工作波长为１．３￣１．８μｍ，具有良好的光学透过性和优良的物理化学性质。该窗口已在上海宝钢获得成功应用。