基于量子级联激光器和长光程气室的甲烷传感器

根据中红外光谱吸收原理,利用甲烷(CH₄)气体分子在7.5 μm处的基频吸收特性,设计了一种基于量子级联激光器(QCL)和新型多反射长光程气体吸收气室(MPC)的甲烷气体传感器。该仪器使用了可进行热电冷却、工作在脉冲方式下、中心波长为7.5 μm的QCL,通过在室温条件下调节其注入电流(500 mA～1.6 A调节范围),其出射光波长可以扫过CH₄(1 332.8 cm-1)气体吸收线。同时使用了一种紧凑型MPC(40 cm长,800 mL采样容积),使得系统有效总光程达到16 m。此外,系统中使用了参考气室,并加入了空间滤波光学结构以满足MPC对入射光束的要求,配合差分吸收光谱检测原理,有效地改善了光束质量,降低了由光源波动引起的噪声,提高了仪器的检测灵敏度。通过对不同浓度的甲烷气体进行多次检测,该仪器的稳定性能良好,按信噪比为1计算,可实现对甲烷气体的检测下限为1 μmol·mol-1。     

采用7.5 μm中红外量子级联激光器的痕量甲烷气体检测仪

一种具有高稳定性和高敏感度的紧凑型仪器,能精确、实时、实地连续测量和显示环境空气中的痕量甲烷(CH₄)浓度。仪器采用了已集成热电制冷器激射波长为7.5μm的法布里-珀罗量子级联激光器(QCL)在室温脉冲工作模式下的最新技术,以覆盖CH₄位于ν₄附近基频特征吸收谱带。同时,采用高品质液氮制冷碲镉汞中红外探测器,配合全反射镀金椭球反射镜一同使用,在20 cm单路径开放式光路吸收气室环境下,确保被测甲烷气体浓度为200 μmol·mol-1的实验条件下保持稳定度高达5.2×10-3。此仪器所集成的软件算法通过时间鉴别电子技术实现对QCL控制,能够在无需校准的情况下,提供连续痕量甲烷气体检测。实验表明,仪器可以用于环境监测中的实地痕量气体测量,并且操作人员可以通过替换在不同波长下运行的QCL来测量其他气体。     

高光谱分析叶菜对颗粒物污染的响应特征规律

大气中的颗粒物不仅影响人类生活,还影响植物的光合作用、生长发育和产量品质。实现了颗粒物污染环境的人工模拟,并对采收期的小白菜、生菜、小油菜三种叶菜进行颗粒物作用试验,获取叶片的光合生理信息和高光谱数据,基于高光谱技术和植物表型分析叶菜对颗粒物的响应机理,研究叶菜的光合特性和光谱特征对颗粒物污染的响应情况。结果表明：以颗粒物作为唯一差别条件下,三种叶菜叶片的高光谱曲线整体趋势相同,在可见光波段内试验组反射率增加最大,红边位置发生蓝移,小油菜对颗粒物的作用最敏感,小白菜吸附颗粒物的能力最强。分别比较三种叶菜的净光合速率与叶片原始光谱、一阶导数光谱的相关性,利用相关分析法提取三种叶菜的敏感波段,用原始光谱、FD、MSC和相关分析法提取特征波长;比较10个高光谱特征参数及4个植被指数与净光合速率的相关系数,选出敏感光谱特征参数和植被指数,即生菜的Dr,SDr,SDr/SDb和SDr/Sdy,小白菜的SDr,Dy,NIRRP,(SDr-SDy)/(SDr+SDy)以及小油菜的λr,SDy,(SDr-SDy)/(SDr+SDy)。用ln对数运算、多项式函数以及几种组合方法建立三种叶菜叶片的净光合速率定量反演模型,其中,预处理方法采用SG,FD,SD和MSC,建模方法采用CLS,PLS,PCR和SMLR。以相关系数为模型评价指标,最终确定FD+SG+PLS方法是建立生菜和小白菜净光合速率反演模型的最优方法,FD+SG+MSC+SMLR方法是建立小油菜净光合速率反演模型的最优方法。所建模型可为今后颗粒物污染环境下的模型修正提供参考,具有实用性。研究结果为利用高光谱技术研究叶菜类蔬菜在颗粒物污染环境下的诊断与分析提供理论依据,为设施农业蔬菜的病害预警、生理信息监测、设施环境的净化和管控提供新思路。     

数字正交锁相放大器的研制及其在甲烷检测中的应用

利用可调谐二极管激光吸收光谱技术检测气体浓度时,为了从红外传感信号中提取一次及二次谐波信号来表征气体浓度,研发了一种基于数字信号处理器的数字正交锁相放大器.介绍正交锁相放大原理,设计谐波提取算法,给出数字正交锁相放大器的软硬件实现方案.利用配备的浓度为1%~5%的甲烷样品以及研制的锁相放大器,开展气体实验.实验结果显示,当甲烷浓度为5%时,在二次谐波对应的频率点处,测得的系统信噪比为34dB,表明设计的锁相放大器具有较好的性能;测得的二次与一次谐波信号峰峰值的比值与气体浓度成线性关系;考虑动态配气以及气体沿管道传输的时间,检测系统的响应时间约为96~98s;气体浓度为20 000ppm时,测试浓度波动范围为-92ppm~+118ppm;根据Allan方差预测的系统检测下限为29.52ppm.与模拟锁相放大器以及商用锁相放大器相比,本文研制的数字正交锁相放大器硬件结构简单、体积小、成本低、易于集成,在红外气体检测领域具有很好的应用前景.     

中红外量子级联激光气体检测系统

为了满足基于室温连续量子级联激光器(QCL)的中红外气体检测系统的需求,研制了板级量子级联激光器的驱动电路以及谐波锁相放大电路。通过信号发生电路产生高精度的直流偏置信号、低频锯齿波扫描信号和高频正弦波调制信号,控制激光器的工作电流,进而扫描/调制激光器的输出波长;为了探测痕量气体吸收光谱的二次谐波信号,并获得较高的信噪比,研制了锁相放大电路,主要包括倍频电路、正交转换电路和数据转换电路;为了提高系统的稳定性和可靠性,研制了高稳定性的线性供电电路以及保护电路.采用中科院半导体所研制的波长为4.76μm的QCL作为光源,开展了电学系统的功能验证实验以及气体检测实验.实验结果表明:QCL驱动电路线性度为0.006 3%,长期电流稳定度为5.0×10~(-5),QCL光强稳定度为5.07×10~(-4);锁相放大器系统具有较高的稳定性和较低的误差,一次谐波的最大误差在2.4%以内,二次谐波的最大误差在5.5%以内.通过动态配气方式开展了低浓度一氧化碳(CO)气体检测实验,在0~100×10~(-6)范围内,二次谐波信号的幅值与CO气体浓度具有较高的线性度(拟合优度0.99),表明所研制的电学系统具有良好的稳定性和可靠性,为中红外CO气体的检测提供了安全可靠的保障.     

小麦盐与物理损伤胁迫下果胶高光谱反演模型

小麦是我国的主要粮食作物，在国民经济发展中具有举足轻重的地位。然而，盐与物理损伤等非生物胁迫，逐渐成为制约小麦产量和品质的重要因素。研究表明，细胞壁是植物细胞直接抵御逆境胁迫的重要防线。盐胁迫下，细胞渗透压增大，质膜的透性会受到一定程度的影响。为了维持细胞的形态和结构，植物细胞壁中的果胶等多糖物质会发生不同程度的转化和改变。物理损伤，会加深植物细胞膜脂过氧化的程度，使膜通透性增大，导致营养物质的流失和降解。受到损伤的部位及其周边细胞还会发生栓化以阻塞病菌的侵入。构成植物细胞壁主要成分且能够反映细胞壁以及膜系统完整性和透过性的果胶，可以作为研究胁迫下植物内部物质响应规律的重要指标。目前，质量法、比色法、液相色谱法等常用的果胶检测方法操作繁琐、实时性不强且对样本损耗较大。亟需一种操作简便、检测速度快、无损的检测方法。将烟农0428小麦作为研究对象，采用水培方式，以向培养液中施加氯化钠(NaCl)溶液和对小麦第一片叶主脉两侧针刺分别模拟盐胁迫和昆虫叮咬造成的物理损伤，并完成小麦叶片果胶及高光谱信息的采集与处理。利用相关分析法筛选光谱敏感波段，将主成分回归(PCR)、偏最小二乘法(PLS)、逐步多元线性回归(SMLR)三种建模方法分别与多元散射校正(MSC)、标准正态变换(SNV)、一阶导数(FD)、卷积平滑(S-G)、Norris导数滤波(NDF)等预处理技术相结合，建立果胶含量反演模型。最终，选定PLS+SNV+FD+NDF方法建立的模型为最优模型，并对其性能进行了测试。结果表明：果胶含量的预测值与实测值一致性较高，拟合系数(R2)和均方根误差(RMSE)分别为0.997 6和0.35；预测值重复性较好，相对标准偏差(RSD)为1.2%。该研究以新方法实现小麦果胶的高精度、快速、无损检测，有助于小麦响应逆境胁迫机理的深入探索，并为大田作物胁迫程度预测及种植环境的精准管控提供参考。     

使用量子级联激光器和多通吸收光谱技术用于CO探测

根据一氧化碳(CO)气体分子在4.7 μm处的基频吸收特性,使用中心波长为4.75 μm的量子级联激光器(QCL)和多反射气体吸收气室(MGC)设计了一种新型CO传感器。该仪器使用可在室温脉冲方式下工作并具有热电制冷功能的QCL,通过对其温度和注入电流进行调节,最终使得出射光波长定位在CO基频吸收带的一根强吸收线(2 103 cm-1)。与此同时,使用有效光程为16米的新型MGC(40 cm长,800 ml采样容积)和液氮冷却碲镉汞中红外探测器,有效提高了系统的响应灵敏度。此外,系统中配合使用了参考气室和空间滤波光学结构,有效地改善了入射光束的质量,降低了由光源的不稳定而产生的噪声,进一步提高了系统的检测灵敏度。在实验室条件下对不同浓度的CO气体进行多次重复检测,结果显示,该仪器工作稳定,按信噪比为1计算,可实现对一氧化碳气体的检测下限为5 μmol·mol-1。     

基于红外光谱技术的混合气体检测系统概述

为了给从事红外混合气体检测领域的研究人员提供一定的借鉴与参考,针对红外混合气体检测系统中的光学复用结构以及检测方法进行了详细评述。目前,以量子级联激光器(QCL)、带间级联激光器(ICL)为代表的相干光源已逐渐取代热辐射红外光源、红外发光二极管(LED)等传统非相干光源,成为红外混合气体检测中的主流光源。相应地,具有超高探测度和极短响应时间的红外光探测器也逐渐超越以往的红外热探测器,占据红外探测器领域的主导地位。基于“复用思想”的光学复用结构则是红外混合气体检测系统的核心,主要包括单光源复用检测结构和多光源复用检测结构。其中,单光源复用检测结构以其体积小、集成度高等优点成为构建便携式混合气体检测系统的重要选择;而多光源复用检测结构是时分复用、频分复用、波分复用等思想的具体化,并凭借其较宽的光谱覆盖范围、较高的光谱分辨率等优势成为当前混合气体检测系统中的主导结构。应用于红外混合气体检测的检测方法主要有非分光红外(NDIR)光谱技术、波长/频率调制光谱技术、腔增强光谱技术以及光声光谱技术等。研究人员可通过对红外混合气体检测系统各组成部分充分了解后,设计出实用的红外混合气体检测系统,对工农业生产、环境监测、生命科学等诸多领域都具有重要意义。     

面向脉冲量子级联激光器气体检测的锁相放大器

为了在基于脉冲式中红外量子级联激光器的气体检测系统中,精确提取窄脉冲传感信号的幅度,设计并实现了一种微秒级窄脉冲锁相放大器.根据微秒级窄脉冲的特点,窄脉冲信号经过窄带通滤波电路,得到基频正弦波信号,再经过主放大、移相、相敏检波电路,得到与脉冲幅值有关的直流信号.利用信号发生器产生的幅度、频率、相位可调的窄脉冲待测信号,对锁相放大器进行功能验证实验.结果表明,锁相放大器输出直流信号与输入信号的幅度呈良好的线性关系,线性拟合度约为98.043%;信号幅值的相对测量误差不超过3%;在1 h的测试时间内,信号波动范围在1‰以内.利用配备的不同浓度的一氧化碳样品及研制的锁相放大器,开展了一氧化碳气体检测实验.在0~180 ppm范围内,随着一氧化碳浓度的增加,锁相放大器的输出电压值与一氧化碳浓度呈现良好的e指数关系.根据A11an方差预测的系统检测下限为0.4123ppm.与商用锁相放大器相比,该放大器具有体积小、成本低、易于集成等特点,在基于脉冲式中红外量子级联激光器的气体检测中具有较好的应用前景.     

分布反馈量子级联激光器脉冲驱动电源的研制

为了满足中红外一氧化碳检测中分布反馈量子级联激光器的驱动要求,设计并实现了一种专用型脉冲驱动电源.首先,研制了高稳定的供电系统和完善的保护系统,显著提高了驱动脉冲的质量并保证了电源工作的可靠性;其次,依据"多级隔离"的思想设计了电源各功能电路,很大程度上提高了驱动电源的抗干扰能力;同时,将深度电压负反馈与比例-积分-微分控制算法相结合,有效提高了输出电流的稳定度.利用该驱动电源对中科院半导体所研制的波长为4.76μm的分布反馈量子级联激光器做了驱动测试.实验结果表明,在长时间(200h)运行中,系统驱动电流的稳定度为2.5×10-5,线性度为0.004%,满足分布反馈量子级联激光器的驱动要求,为中红外一氧化碳的可靠检测提供了保障.