Highly-sensitive NO,NO_2,and NH_3 measurements with an open-multipass cell based on mid-infrared wavelength modulation spectroscopy

A compact prototype based on mid-infrared wavelength modulation spectroscopy(WMS)is developed for the simul-taneous monitoring of NO,NO_2,and NH_3 in the urban area.Three quantum cascade lasers(QCLs)with central frequencies around 1900.0 cm~(-1),1600.0 cm~(-1),and 1103.4 cm~(-1)are used for NO,NO_2,and NH3detections,respectively,by timedivision multiplex.An open-path multi-pass cell of 60-m optical path length is applied to the instrument for high sensitivity and reducing the response time to less than 1 s.The prototype achieves a sub-ppb detection limit for all the three target gases with an average time of about 100 s.The instrument is installed in the Jiangsu environmental monitoring center to conduct performance tests on ambient air.Continuous 24-hour measurements show good agreement with the results of a reference instrument based on the chemiluminescence technique.     

TDLAS氧气测量系统中激光器调谐性能测试与优化

TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱)技术以其分子光谱高选择性、速度快、灵敏度高、非接触测量等难以取代的优势,成为燃烧过程诊断等应用的首选,可以有效用于氧气测量。DFB(分布反馈)半导体激光器以其体积小、功耗低、寿命长、线宽窄、波长可调谐等优点成为TDLAS系统的主要选择,而其调谐特性是制约系统测量性能的关键因素。根据TDLAS氧气测量系统工作要求,采用一种简单易行的实验方法对系统中用到的764 nm DFB激光器的电流波长、温度波长和电流功率等重要调谐特性进行了测试和分析,发现出射光谱窄线宽、高边模抑制比和宽波长可调谐范围等特点明显,电流波长调谐曲线近似但并非严格线性、调谐速率约0.023 n·mA~(-1),温度越高阈值电流越大、PI曲线也并非严格线性,温度调谐特性曲线线性较好、波长温度调谐速率基本保持恒定约为0.056 nm·℃~(-1)。可见各种调谐曲线的非线性失真比较明显,影响氧气测量精度。温度调谐非线性可以通过温控精度的提高来消除,电流功率调谐非线性可以通过设置参考光强来消除。为了进一步解决电流波长调谐非线性问题,根据DFB半导体激光器的调谐机理和电流波长测试结果的多项式拟合,考虑通过DA控制注入电流的方式对电流波长调谐非线性进行补偿。这种方法针对不同激光器只需在系统初次工作之前进行一次多项式拟合,方案合理、实现简单且不影响测量过程。实验证明,补偿之后的λI曲线线性拟合残差小于1 pm,远小于补偿前的22 pm,效果明显,为氧气各种参数TDLAS精确测量和反演提供了依据。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的酒精蒸汽检测方法

采用窄带半导体激光器开展了酒精蒸汽浓度检测方法研究.使用酒精分子在7180 cm-1附近的一个相对较窄的吸收峰作为酒精分子的鉴别信息.为消除水汽对酒精分子检测的干扰,提出了建立多元线性回归方程拟合求解多分子吸收共存的问题.实验表明,系统的检测限达到25 ppm·m.     

可调谐半导体激光吸收光谱法测量空气中乙醇蒸气

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术开展了检测空气中乙醇蒸气浓度的方法研究,并采用乙醇分子在7180cm-1(1393nm)附近的吸收峰作为鉴别乙醇的特征信息。建立多元线性回归方程来拟合求解多分子吸收共存的问题,以消除共存水蒸气对空气中乙醇蒸气含量检测的干扰。针对谱线处理中存在的光谱误差问题,提出了修正方程,与实验的结果一致。开放光路测量实验结果表明,系统的积分浓度检测限达到30×10-6 m。     

波长调制吸收光谱技术的燃气轮机燃烧室温度组分二维分布测量方法

可调半导体激光光谱技术（TDLAS）可实现温度、组分浓度等多参数同时测量,具有体积小、响应速度快、环境适应性高等优点,逐渐成为燃烧流场诊断的主要手段之一。TDLAS光谱测量常采用直接吸收技术和波长调制技术,其中强度归一化的波长调制技术,适合存在振动、湍流等致光束偏转效应和强辐射本底等恶劣应用环境条件的燃气轮机流场参数测量。基于TDLAS技术,开展了1f归一化波长调制技术燃气轮机燃烧室温度、组分浓度参数测量方法研究和实验室验证工作,并在某燃气轮机单喷嘴台架进行了冷态、热态试验验证,实现了燃气轮机燃烧室沿气流方向温度及H₂O、CH₄浓度二维分布测量。采用1f归一化波长调制技术抑制台架振动、热辐射背景噪声,采用1 392,1 469和1 343 nm蝶形封装的DFB激光器,三支激光器的出光方式为时分复用,选取H₂O的7 185.6,6 807.83和7 444.3 cm-1处的吸收线,两两组合使用,测量热态下一定范围内的温度和H₂O浓度;采用1 654 nm蝶形封装的DFB激光器,选取CH₄的6 046.96 cm-1处的吸收线进行冷态CH₄浓度测量。实验室对测量系统可靠性进行验证,配置4%~6%范围内的CH₄气体进行测量并与实际值对比,浓度测量最大相对偏差为3.72%;在高温炉中设定900~1 500 K范围内的温度台阶,充入纯水汽,计算不同设定温度和压力下的温度和浓度测量值,温度测量最大相对偏差3.07%,浓度测量最大相对偏差为-2.00%,验证了该测量系统的可靠性。台架燃气轮机实验中,集成了一套小型化测量仪器,设计多束激光收发一体的测量结构。实验采用两个电动位移台,搭载测量结构,每间隔5 mm逐点移动采样,对燃气轮机燃烧室300 mm×60 mm的燃烧区域进行测量,获取了若干工况下冷热态结果。通过双三次插值的方法绘制分辨率为0.5 mm的二维流场分布图,结果分别反映了测量区域范围内CH₄和火焰分布的真实状态。为燃气轮机喷嘴燃料、空气掺混情况和燃烧特性研究提供了新的研究方法和技术手段。     

基于准分子激光器火焰中OH自由基测量技术研究

介绍了利用XeCl准分子激光器作为光源,测量酒精喷灯火焰中OH自由基浓度的实验方法与结果分析.以XeCl准分子激光器作为光源,采用Herriott结构多次反射池扩展光程至2560 m,利用酒精喷灯作为OH自由基发生器,使用光谱分辨率为3.3 pm的高分辨中阶梯光栅光谱仪作为光谱采集系统.详细描述了应用不包含etaloning结构的XeCl准分子激光器作为光源的原因,如何去除XeCl准分子激光器反应腔腔体中的水汽干扰等.选取308.145～308.175 nm波段范围对OH自由基浓度进行了反演,并与利用氙灯作为光源测量酒精喷灯中OH自由基浓度的结果进行了对比.     

基于室温脉冲量子级联激光器的NO气体检测中的光谱处理方法研究

报导了采用基于室温脉冲量子级联激光器的脉内光谱检测技术,利用中心波长为1904 cm^-1的量子级联激光器,在实验室对NO气体样品进行检测的研究结果. 针对单线直接吸收光谱反演算法进行了研究,介绍了基线拟合的最小二乘算法以获取其吸光度,根据HITRAN数据库中相应吸收谱线的吸收线强,采用扫描积分实现了气体浓度的反演,避免了标气标定造成的误差及污染;通过拟合残差分析得到了系统的检测限,达到34×10^-6 m. 关键词： 量子级联激光器 中红外 多项式拟合 扫描积分     

基于室温脉冲量子级联激光器的NO气体检测中的光谱处理方法研究

报导了采用基于室温脉冲量子级联激光器的脉内光谱检测技术,利用中心波长为1904 cm^-1的量子级联激光器,在实验室对NO气体样品进行检测的研究结果. 针对单线直接吸收光谱反演算法进行了研究,介绍了基线拟合的最小二乘算法以获取其吸光度,根据HITRAN数据库中相应吸收谱线的吸收线强,采用扫描积分实现了气体浓度的反演,避免了标气标定造成的误差及污染;通过拟合残差分析得到了系统的检测限,达到34×10^-6 m.     

基于波长调制技术的激光器调制特性研究

在流场诊断技术中，可调谐半导体吸收光谱技术（TDLAS）成为主要的诊断技术之一，其可实现非接触、原位检测。波长调制（WMS）和直接吸收(DA)是两种最常用的TDLAS气体传感方法，在目标含量很低或者极端流场环境下，波长调制技术呈现出更多的优势，检测灵敏度与直接吸收相比可以提高1～2个数量级。在近红外波长调制技术应用领域，分布反馈式（DFB）半导体激光器成为流场诊断技术的光源选择之一，无论利用谐波信号（或者归一化谐波信号）的线型拟合，还是选择谐波信号的峰值来反演流场参数，吸收模型的准确建立均十分重要。在模型建立时，激光器频率-时间响应以及光强-时间响应的准确表示尤为重要。为解决吸收模型准确建立问题，提出了一种准确测量激光器调制参数的完整方法，通过实验测量了用于探测水汽吸收的1 392和1 469 nm激光器的调制特性，研究了分布反馈式激光器的调制参数随调制幅度，调制频率以及工作温度的变化。根据该方法得到的调制参数，建立吸收模型，测得常温下空气中水汽浓度为1.97%，直接吸收方法测得浓度为1.99%，验证了该测量方法的准确性。研究表明，调制深度随调制幅度的增加线性增加，随调制频率的增加非线性单调减小，随工作温度的升高线性增加；激光器的出光强度和频率同时被调制，强度变化超前频率变化的相位，随调制幅度的变化不明显，随调制频率的增加单调增加，随工作温度的升高单调减小；归一化一次谐波振幅和二次振幅均随调制幅度的增加而增加，随调制频率的增加而减小，随工作温度的变化不明显。在吸收光谱应用领域，波长调制技术发挥的作用愈加重要，调制系数与谐波信号的峰值息息相关，在波长调制技术应用时，选取适当的调制参数，有利于得到合适的谐波信号，可通过改变调制幅度、调制频率、工作温度得到最优调制系数。研究了近红外分布反馈式半导体激光器的调制特性，该方法同样适用于不同封装和不同波段激光器调制特性的研究，利于推广吸收光谱技术在各领域的应用。