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。     

可调谐半导体激光吸收光谱遥测二氧化碳通量的研究

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)具有高分辨率、高灵敏度以及响应时间快等优点.以室温下工作的近红外可调谐半导体激光器为光源,通过波长调制方法对1 578 nm附近CO2气体吸收线的二次谐波信号测量,结合双开放光路技术,实现对不同高度层面700多米长光程范围内CO2气体浓度的快速在线检测.结合大口径闪烁仪测量的莫宁-奥布霍犬长度和特征速度,通过经验公式计算得到CO2气体的通量在-60～60 mg·m-2·s-1范围内波动.实验数据与涡动相关比较表明,两者数据整体变化趋势一致,该方法可以获得较理想的结果.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现象,使大面积范围内痕量气体通量的测量成为可能.     

可调谐半导体激光吸收光谱法监测燃烧过程中CO浓度的变化

可调谐半导体激光吸收光谱技术(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)是利用二极管激光器的波长调谐特性,获得被选定的待测气体特征吸收线的吸收光谱,从而对待测气体进行定性或定量分析。它具有高灵敏、高分辨以及快速检测等特点,已经广泛用于大气中多种痕量气体的检测以及泄漏气体的检测,也是在燃烧环境下对气体进行非侵入式实时测量的理想方法。TDLAS技术与开放式的多次反射池相结合,并利用自平衡探测加波长调制的新型检测方法,测量了酒精喷灯燃烧过程中产生的CO浓度,从测量结果中发现酒精喷灯火焰中CO的浓度成一定的周期性,并且得到火焰中CO的平均浓度为49.4(10-6体积比)。实验结果表明利用开放式多次反射池,结合自平衡探测加波长调制探测的新方法,满足了酒精喷灯燃烧过程中CO检测的需要,此系统为发展基于TDLAS的燃烧在线诊断技术奠定了基础。     

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。     

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.     

基于半导体激光的腔增强吸收光谱技术研究

用近红外可调谐分布反馈(DFB)半导体激光器作光源,用反射率为99.7%左右的平凹镜组成的稳定光学谐振腔作吸收池,建立了一套腔增强吸收光谱(CEAS)系统.根据系统工作时激光器与谐振腔的工作状态,将CEAS技术分为三类:控制波长法,控制腔长法及同时扫描波长和腔长法.以二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)为主要样品气体,用控制腔长法和控制波长法CEAS技术对CO2分子在1.573μm附近的吸收光谱做了测量;用扫描腔长和波长法CEAS技术对CH4气体在1.316μm附近的吸收光谱做了测量;考察了三种方法的探测灵敏度和在定量分析方面的能力.实验结果表明,CEAS技术是一种装置简单,操作方便,灵敏度高,稳定性好的定量吸收光谱技术,探测灵敏度达1.15×10-7cm-1.     

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DFB型半导体激光器的腔增强吸收光谱研究

介绍了用DFB型可调谐半导体激光器做光源的腔增强吸收光谱(TDL-CEAS)技术.简要介绍了腔增强吸收光谱的发展和实验设计,从法布里-珀罗腔的角度解释了腔增强吸收光谱的有效吸收路径,阐述了腔增强吸收光谱具有高灵敏度的主要原因是腔内介质能够获得很长的吸收光程;用中心波长为1.573μm的DFB型可调谐近红外半导体激光器做光源,用两块高反射率平凹透镜(1.573μm附近,反射率约99.4%,凹面曲率半径为1 m)组成的光学谐振腔做吸收池,采用同时扫描激光和谐振腔的方法,在34 cm长的吸收池内测得了CO2分子在1.573μm附近的弱吸收谱线,探测灵敏度达1.66×10-5cm-1.实验结果表明,腔增强吸收光谱具有灵敏度高、分辨率高、实验装置简单、易于操作等优点.     

基于扫描激光的腔增强吸收光谱研究

介绍了一种建立在半导体激光扫描基础上的腔增强吸收光谱技术。简要介绍了从衰荡吸收光谱技术向腔增强吸收光谱的发展及腔增强吸收光谱的实验装置,实验证明能够将 DFB 型半导体激光与高精密光学谐振腔相结合,用简单的实验装置进行高灵敏、高分辨直接吸收光谱测量。实验中,激光器的输出波长用一台波长计精确测量,当激光器的输出频率与某一腔模的频率共振时,激光被耦合到一个用两块高反射率平凹透镜(在 1.572μm 附近,R~0.994)组成的 34cm 长的高精密光学谐振腔,通过测量激光透过谐振腔后的光强,得到了二氧化碳分子在6358.654cm-1附近的吸收光谱,探测灵敏度达到了 1.2×10-5cm-1。     

基于可调谐激光二极管吸收光谱的乙炔在线检测系统

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术,研制了一种近红外乙炔气体检测系统。通过分析近红外波段乙炔分子的吸收谱线特性,选择了1.534 μm附近乙炔分子的吸收峰作为吸收谱线。该系统主要由分布反馈激光器、激光器驱动器、单光程对射式气室、光电探测模块及数字式锁相放大器构成。为了测试该检测系统的性能,配备了乙炔气体样品并开展了气体检测实验。实验结果显示,该系统的最小检测下限为0.02%;在体积分数为0.02%～1%范围内,二次谐波幅值与乙炔气体浓度呈现出良好的线性关系。通过长达20 h的稳定性实验测试了检测系统稳定性。鉴于近红外波段石英光纤传输损耗很小,可以将气室及光路部分与电路部分分离,从而可以进行远程气体检测,这是基于量子级联激光器、热光源的乙炔检测系统难以实现的。该系统采用了自主研制的分布反馈激光器驱动器和锁相放大器,结构简单,性价比高,便与集成,在工业现场乙炔浓度检测方面有着良好的应用前景。     

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。     

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。     

基于空心光波导的激光吸收光谱氨气传感器

空心光波导(hollow waveguide, HWG)可以同时传输红外激光和目标气体,是激光气体传感器中的新型气体池,具有体积小、响应速度快的特点。基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术,以空心光波导为气体池,研制了氨气激光传感器。采用波长调制光谱(wavelength modulation spectroscopy, WMS)技术,同时解调气体吸收的一次谐波(1f)和二次谐波(2f)信号,通过1f归一化2f信号实现免校准(calibration-free)测量。利用标准气体进行验证实验,结果表明,传感器的响应线性度R2为0.999 8,响应时间24 s。Allan方差结果表明积分时间18 s时检测限为26 ppbv。该传感器可以用于空气中痕量氨气的快速、高灵敏检测。     

Half-Width Integral Method for Gas Concentration Measuring in Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy

ABSTRACT

We analyze the influence of random errors and absorption shape fitting errors on gas concentration measurement in tunable diode laser absorption spectroscopy. We then propose a new data processing method according to the characteristic of random errors and fitting absorption shape. This method only uses the integral value within the half width at half maximum of the fitting absorption shape to determine the gas concentration in actual measurements. Meanwhile, the O₂ transition at 13,150.197 cm^?1 is selected to measure the O₂ concentration using this method. Compared with the traditional method, the method established in this paper can accurately measure O₂ concentration.     

基于调谐二极管激光吸收光谱的燃气管道泄漏探测研究

根据可调谐二极管激光吸收光谱及谐波探测的原理,建立以分布反馈式半导体激光器为可调谐光源,利用多次反射池进行点式采样的实验装置。基于甲烷分子1 653.7 nm附近的吸收线,实验研究二次谐波信号对甲烷浓度的响应线性,并实现空气中甲烷本底含量的测量。研究结果表明可调谐二极管激光气体检测技术可为城市燃气管道泄漏探测提供了一种灵敏度高、抗干扰能力强的有效手段。     

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。     

基于谱线频率特征的调谐二极管激光吸收光谱参数分析

调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术因其高分辨率、高灵敏度和快速测量等优点在工业生产、环境污染监测等方面受到广泛应用。波长调制光谱（wavelength modulation spectrum, WMS）的二次谐波信号经常用作气体浓度反演的检测信号。TDLAS检测性能与系统参数,如锁相放大器的时间常数、扫描幅度、扫描频率、调制幅度、调制频率等的选取紧密相关,实际测量中各参数的选择多以谱线形态特征为依据,参数之间的关联性未能得到较好体现。由于信号的采样与处理均在频域对谱线产生作用,各参数之间的作用相互关联。然而很少有研究参数对谱线频域的影响,针对此问题,在一定的理论基础上通过实验分别观察各调制参数对二次谐波信号的影响。通过保持其他参数不变,只改变一个参数的方法,得出各个参数对信号线型、频率特征及噪声引入的影响规律,继而分析并验证了多参数联合变化对谱线频带的决定作用。与基于时域特征的传统方法相比,基于谱线频率特征分析一方面具有与谱线信号采集检测处理机理相近的优点,另一方面可以直观得到各参数对主频带的影响和不同频率信号的衰减趋势。总结出基于频率特征的各参数的基本选取方法,以谱线频带和截止频率相互关系为判定标准,截止频率的大小由锁相放大器时间常数决定。通过设置合适的时间常数和扫描参数使信号频带与截止频率相近但不相交,使谱线频带内频率分量不产生衰减,频带外噪声得到最大抑制;再根据锁相放大器的性能和信号信噪比来确定调制参数,使谱线主频幅度最大;最后根据系统需求确定采样率。单周期采样点不变时,低扫描频率时检测精度相对提高但耗时较长;反之,扫描频率提高,速度变快但检测精度下降。通过联合影响规律调整关联参数,减小硬件限制对参数最优值选取造成的影响。可在考虑系统检测需求与硬件条件限制的前提下,通过参数选择得到最优二次谐波信号,为此技术的实际应用提供了参数优化的实验依据与参考方法。     

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。