连续和准连续激光调制谱分析技术的比对研究

为了在面对不同检测需求时,能够选取适合的调谐激光吸收光谱技术方案,对直接吸收光谱、连续调制谱和准连续调制谱三种方法进行了理论分析和实验比较。在相同实验条件下,通过同一激光器测量不同浓度CO2气体,比较了这三种方法的技术特点、信号特征、检测灵敏度。结果表明,准连续调制谱技术具有与连续调制谱相当的检测灵敏度,但是受激光能量间断和较大的寄生幅度调制影响,检测信号相对于气体吸收谱的线形失真较大,因此不太适合依赖光谱线形和线宽的压力、流速测量。为选取更加适用的激光调制谱技术,提供了参考依据。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的瓦斯监测方法研究

瓦斯爆炸是煤矿安全的主要威胁,对瓦斯气体浓度进行准确、快速、实时监测和预警是治理瓦斯灾害的有效手段。实验研究了近红外半导体激光吸收光谱技术在煤矿瓦斯气体安全检测中的应用。系统光源采用的是1.65μm波长的近红外可调谐DFB激光器,使用了波长调制和二次谐波检测技术,通过光纤进行信号传输。系统检测限低于0.09%,气体浓度的检测速度最高可达到0.02s。研究表明:该技术具有实时、连续、快速、非接触检测的特点;现场无带电部件,具有多点分布式遥测的能力,能够满足煤矿瓦斯安全检测的要求。     

可调谐激光吸收光谱应用于气体二维浓度分布重建研究

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS),设计了气体浓度二维分布重建系统。将单路可调谐激光分为24路,交叉穿过目标区域,得到24组直接吸收信号(DA),并采用代数迭代法(ART)计算得到目标区域气体浓度二维分布。搭建了二维气体浓度分布测量试验台,利用中心波长在1.653μm的DFB激光器作为光源,选取HITRAN数据库CH4的2v3带R(3)线作为计算谱线进行数值模拟和试验验证,并对重建结果进行了误差分析。结果表明重建系统能很好的实现气体二维浓度分布重建测量。     

可调谐激光吸收光谱法与气相色谱法监测甲烷的对比研究

甲烷是一种重要的温室气体,它对大气中温室效应的贡献仅次于二氧化碳.针对环境空气中甲烷的测定,从测量原理、测量过程和测量装置等方面比较了可调谐二极管激光吸收光谱和气相色谱法两种测量方法.结果表明用上述两种方法测得的甲烷的日变化趋势具有良好的一致性.相比较而言,后者造价更低,并且更方便.     

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.     

基于可调谐激光吸收光谱技术的二硫化碳中红外光谱参数测量

采用4.6μm附近的量子级联激光器作为光源,搭建了一套二硫化碳(CS2)吸收光谱测量系统,结合可调谐二极管激光吸收光谱技术,对光谱范围为2178.99—2180.79 cm-1的CS2吸收光谱展开了深入研究,重点测量了2180.5—2180.74 cm~(-1)的四条吸收谱线,利用基于非线性最小二乘的多元线性回归算法对CS2吸收光谱进行拟合,精确得到了该范围内谱线的中心波长、线强以及空气展宽系数等光谱参数.经计算,对应谱线线强不确定度小于5%,空气展宽系数不确定度小于15%,这个结果可作为免标定CS2红外光谱探测的基础光谱参数,对痕量CS2气体传感具有重要意义.未来我们将进一步开展2170—2200 cm-1整个谱段的CS2谱线参数的测量,以期填补其在HITRAN和GEISA数据库光谱参数的空白.     

可调谐半导体激光吸收光谱法监测二氧化碳的通量

含碳温室气体浓度增加所加剧的温室效应是气候变化的重要原因,大面积范围内二氧化碳气体通量的测量对于评价各类陆地生态系统对大气中主要温室气体浓度的贡献具有重要的意义。可调谐半导体激光吸收(TDLAS)光谱技术具有高分辨率、高灵敏度以及快速响应等特点,是痕量气体高灵敏快速监测的新方法。文章以可调谐分布反馈半导体激光器作为光源,通过波长调制方法对1.573μm附近二氧化碳气体某一吸收线的二次谐波信号测量,结合激光分束技术,实现对不同高度层面700多米光程范围内二氧化碳气体浓度的快速在线检测。结合大口径闪烁仪测量出来的莫宁-奥布霍夫长度和特征速度,通过公式计算得到一天内二氧化碳气体的通量在-1.5～2.5mg·(m2·s)-1范围内的波动,突破了目前对近地面痕量气体通量的监测只能提供局地结果的状况,使大面积范围内痕量气体通量的测量成为可能。     

基于光强与吸收率非线性同步拟合的吸收光谱测量方法

针对高压环境吸收谱线加宽以及波分复用技术合波透射信号分析测试难题,提出利用非线性拟合方法对激光吸收光谱测量中激光强度与吸收光谱进行耦合求解.建立激光强度非线性变化与多谱线吸收拟合函数关系,解决了特殊环境下无法获取光谱基线的难题,实现了波分复用过程合波后光谱信号的分离与诊断.通过仿真验证该方法的可行性,分析计算了激光器特性和特征谱线位置等因素对拟合结果的影响.搭建实验台实现了1—10 atm变压力环境下6330—6337 cm~(-1)波段CO_2吸收光谱叠加信号的诊断分析,对气液两相脉冲爆轰过程中7185.6 cm~(-1)与7444.35 cm~(-1)波段波分复用光谱信号进行测试与拟合,无需分光设备实现了耦合光路分离和温度计算,研究结果对激光吸收光谱技术在高压环境以及燃烧环境下波分复用技术的发展具有重要意义.     

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。     

Influence of laser intensity in second-harmonic detection with tunable diode laser multi-pass absorption spectroscopy

Tunable diode laser absorption spectroscopy （TDLAS） has been widely employed in atmospheric trace gases detection. The ratio of the second-harmonic signal to the intensity of laser beam incident to the multi-pass cell is proved to be proportional to the product of the path length and the gas concentration under any condition. A new calibration method based on this relation in TDLAS system for the measurement of trace gas concentration is proposed for the first time. The detection limit and the sensitivity of the system are below 110 and 31ppbv （parts-per-billion in volume）, respectively.     

可调谐半导体激光吸收光谱法对高温甲烷的测量研究

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)是一种具有高灵敏度、高分辨率、快速检测特点的气体检测技术,已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。研究了利用TDLAS技术测量高温下甲烷浓度的实验方法,使用可加热的静态吸收池对在1653.72nm波长附近R(3)支转动跃迁的吸收线进行了测量,并计算了吸收线强。分别在相同温度不同浓度和相同浓度不同温度的两种条件下进行了实验。结果表明,利用直接吸收的方法,在实验室可以得到370K时的最小可探测限为100×10-6,500K时的最小可探测限为245×10-6(吸收池长度为10cm),可以应用在燃烧控制及喷焰气体浓度测量等多个领域。     

基于激光吸收光谱技术的燃烧场气体温度和浓度二维分布重建研究

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术和代数迭代算法（ART）实现燃烧场温度和浓度二维分布重建．采用时分复用技术,在1kHz扫描频率下分别扫描H2O的两条吸收谱线,7205．25和7416．05cm^-1,对温度分布在300-1100K范围内的气体温度场进行了重建．研究了投影角度和投影光线数目对温度场和浓度场重建结果的影响,并将温度场重建结果与热电偶测量结果进行比较,结果表明,采用四个投影方向时,温度场重建结果与热电偶测量结果除中心低温区域外基本符合．当光线数目减少时,通过在两条光线间增加虚拟光线,代入到迭代算法中,增加光线数目,提高了温度场和浓度场的重建效果．但此方法受到燃烧场温度梯度大小的影响,即在两条光线之间气体温度梯度较大,增加虚拟光线提高温度场重建效果不明显．     

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。     

1．3μm附近CO2的高灵敏度吸收光谱

采用可连续调谐半导体二极管激光器作为探测光源,将长程多通池吸收光谱、波长调制和谐波探测技术相结合,建立了一套具有高检测灵敏度和高分辨率的测量气态分子光谱及进行微量分析的研究装置.可以测量6.67×102Pa下～10-27 cm-1·(molecule·cm-2)-1的强度,最小可探测吸收达到～10-8.并利用该装置测量了CO2气体在1.31 μm附近的近红外吸收光谱,并用最小二乘法拟合实验数据获得了这一波段谱线的参数.同时测量的谱线参数与HITRAN数据库相比,发现15条数据库上没有报道的弱谱线.     

基于TDLAS技术的水汽低温吸收光谱参数测量

精确的气体光谱参数对气体浓度、温度等的光谱精确反演测量具有十分重要的意义,针对当前主流光谱数据库(例如HITRAN)中数据与实际数值存在相当误差的问题,自主研制了一套基于静态冷却技术的低温光谱实验平台,用于精确测量低温下的气体吸收光谱参数.运用该低温光谱实验平台,采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术测量了温度为230—340 K、压强为10—1000 Pa时7240—7246 cm~(-1)波段的纯水汽振转跃迁光谱.采用Voigt线型多峰拟合方法,获得了5条水汽振转跃迁谱在不同温度、不同压强下的积分吸光度值及洛伦兹展宽值,运用线性拟合的方法得到这5条吸收线的自展宽半峰全宽系数及参考温度下的线强值.运用不确定度传递公式,计算得到实验结果的不确定度,与HITRAN2012数据库中的线参数进行对比,所测的5条吸收线中实验结果与数据库值最大相差10.96%,且实验结果的不确定度为1.11%—2.98%(置信概率p=95%,包含因子k=2),小于HITRAN2012数据库值的不确定度.     

An approach of open-path gas sensor based on tunable diode laser absorption spectroscopy

Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) is a new method to detect trace-gas qualitatively or quantificationally based on the scan characteristic of the diode laser to obtain the absorption spectroscopy in the characteristic absorption region. A time-sharing scanning open-path TDLAS system using two near infrared distributed feedback (DFB) tunable diode lasers is designed to detect CH4 and H2S in leakage of natural gas. A low-cost Fresnel lens is used in this system as receiving optics which receives the laser beam reflected by a solid corner cube reflector with a distance of up to about 60 m. High sensitivity is achieved by means of wavelength-modulation spectroscopy with second-harmonic detection. The minimum detection limits of 1.1 ppm·m for CH4 and 15 ppm·m for H2S are demonstrated with a total optical path of 120 m. The simulation monitoring experiment of nature gas leakage was carried out with this system. According to the receiving light efficiency of optical system and detectable minimum light intensity of detection, the detectable optical path of the system can achieve 1 - 2 km. The sensor is suitable for natural gas leakage monitoring application.     

基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的密闭玻璃容器中水汽浓度及压力的探测

冻干法处理过的药品瓶中残存的水汽(H₂O)是药品变质的主要影响因素之一, 如何快速准确地测量瓶中的水汽浓度及压力, 是检测药瓶是否泄漏的关键. 本文报道了利用1.39 μm半导体激光器作为光源, 结合波长调制吸收光谱技术, 实现了对密闭玻璃容器(药瓶)中水汽浓度及压力的探测, 并通过转台模拟生产线对系统在动态条件下的性能进行了测试. 研究结果表明, 在0.2%-12%的H₂O浓度范围内真实值与测量值之间的相关度和标准偏差为0.9978 和4.81%, 在0.1-100 atm (1 atm=1.01325×10⁵ Pa)的压力范围内两者之间的相关度和标准偏差为0.982和5.6%, 系统对应的压力及浓度的最低检测限约为2.5 Torr (1 Torr=1.33×10² Pa)和400 ppm. 通过利用转台以及Labview编写的快速在线处理软件进行了动态条件下的测试, 一分钟可以处理300个左右的药瓶, 可以很好地满足快速实时探测的要求. 该方案可以直接应用于药瓶在线检测, 并且使用2台激光器可以实现多组分同时探测分析(如H₂O、氧气等).     

基于可调谐半导体激光器吸收光谱的温度测量方法研究

介绍了基于半导体激光器作光源的吸收光谱测温技术研究和开发集成的系统,利用H₂O在1.4μm附近的吸收线对的线强比值来反演温度.介绍了该系统在实验室管式高温上的标定和开放炉管的测量验证,结果显示各设置温度下测量温度波动平均在50 K左右.之后在CH₄/空气预混平焰炉上进行进一步验证,发现在吸收线7153.7 cm^-1长波一侧出现了HITRAN08中未给出的几条H₂O吸收和该吸收线重叠.HITEMP中在这些波长上有对应的吸收线给出,但对另一条选用的吸收7154.354 cm^-1,给出的可对应吸收线中心频率和测量不一致.根据实验测量结果和HITRAN/HIlTEMP的对比,对选择吸收线对的位置和线强等参数继续采用实验室标定结果,并引入HlTEMP中给出的这些高温下表现出来的吸收线参数,在平焰炉不同当量比状态下做了测量对比.     

基于可调谐半导体激光器吸收光谱的高灵敏度甲烷浓度遥测技术

讨论了一种新的高灵敏度甲烷遥测方法,利用可调谐激光二极管的调制光谱技术扫描甲烷的吸收峰,通过在测量光路中插入参考气池,增强低浓度情况下的吸收峰辨识能力,以提高甲烷浓度遥测信号的信噪比.此外,可以将激光器的中心波长锁定至气体吸收峰的峰值位置从而使仪器工作于吸收峰锁定模式,进行甲烷浓度的连续监测.实验结果表明,在测量距离分别为10 m和20 m时,周围环境中的甲烷积分浓度探测极限可以分别达到5 ppm·m和16 ppm·m.在吸收峰锁定工作模式下,系统在37 m距离处具有22 ppm·m的检出限,并可以监测甲烷浓度的快速变化.     

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体浓度测量温度影响修正方法研究

可调谐二极管激光吸收光谱技术测量气体浓度时,由于测量氛围温度变化的影响引起解调的二次谐波信号发生变化,最终导致浓度测量的较大误差. 为了修正温度变化对浓度反演结果的影响,适应工业测量、燃烧诊断的需要,采用通过实验所得温度关系的数值拟合修正方法即经验公式修正和根据HITRAN数据库参数的理论关系即理论公式修正两种方法进行分析与讨论. 实验中采用在50 cm长的高温管式炉中通入高温安全的21%浓度的 氧气为目标测定气体,选定760.77 nm的中心吸收波长,测量了温度变化范围为300–900 K,间隔50 K的情况下所得到的谐波信号,并利用一次谐波比值消元法消除光强波动影响后的结果,得出了不同温度下未修正的原始浓度值和通过修正方法后的修正值. 实验结果表明所述的经验公式和理论公式两种修正方法对温度影响都有一定的抑制作用,可以应用到温度变化引起的气体浓度误差修正监测中,为下一步开展燃烧诊断实时在线监测提供了依据. 关键词： 可调谐二极管激光吸收光谱 (TDLAS) 温度修正 经验公式 理论公式