获取大气颗粒物消光系数的差分吸收光谱法研究

针对雾霾天气日益增多,大气污染气体向颗粒物的转化在加快,研究了一种大范围对其监测的差分吸收光谱方法。差分吸收光谱法可以实时、在线、准确同时获取颗粒物光学特性和大气痕量气体浓度。论文首先分析了双光路差分吸收光学遥感系统获取颗粒物绝对光强的原理,然后研究了基于单光路测量大气吸收谱,在干净天气状况下测量参考光谱,利用能见度数据,在550 nm波段处实现系统校准,计算校准参数,从而获得大气绝对吸收光强,然后解析出大气总的消光系数。再从总的大气消光系数中,去除瑞利散射以及大气痕量气体吸收对消光系数影响后,精确解析出颗粒物消光系数。同时基于差分思想获取大气痕量气体的浓度。最后把该方法应用于外场实验,获取大气颗粒物在350～700 nm波段范围内消光系数和大气中NO₂的浓度。研究结果表明颗粒物消光系数的随着波长的增加而减少,符合Angstrom公式。该研究为分析大气气相/粒子非均相化学反应提供有力的技术支持。     

基于迈克耳孙干涉仪光路折叠和抽真空方式测空气折射率

采用光路折叠结合气室先预抽真空后充气的实验方式，改进了传统的迈克耳孙干涉仪测量气体折射率的方法.利用折叠光路法增加激光在气室中的穿越次数达到增加气室内的光程，从而数倍地增强待测信号；采取预抽真空后缓慢向连通气室的大容积缓冲真空室内充入待测气体，使气室内气压更均匀、平稳地增长，从而实现了气体折射率的高精度测量，并验证了气压与折射率的线性关系.     

痕量气体激光检测系统波长锁定技术研究

利用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)对痕量气体进行检测时,环境温度变化以及激光器控制电路的噪声常常使得激光器输出波长发生漂移,影响了气体浓度测量的准确性。以开放光路的激光吸收光谱氨气检测系统为例,在分析激光器扫描中心波长随电流变化规律的基础上,提出了基于电流控制的自适应锁定扫描中心波长的方法。研究了基于参考校准光谱的光谱数据对准算法,实现了开放大气中氨气浓度的实时监测。结果表明,波长锁定大大提高了痕量气体浓度反演的准确性和稳定性。氨气浓度具有日变化周期:上下班时段浓度上升,中午达到最大值,夜间浓度降低,系统检测限为3.8mg.m-3.m。     

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。     

参数主动控制的痕量气体实时在线测量系统

基于二极管激光波长调制光谱技术建立了一套参数主动控制的痕量气体实时在线探测系统。为提高系统的实时在线测量性能和测量精度,在模拟温度与压强对痕量气体浓度探测影响的基础上,待测气体的温度、压强和流量被主动控制,并能保持长期稳定性。小波去噪和卡尔曼滤波数字降噪技术被联合应用于系统。以CO_2分子吸收为例的实验结果表明,小波去噪的应用将吸收光谱的信噪比提高了30%左右,卡尔曼滤波的应用将CO_2体积分数的测量精度由2.5×10~(-7)提高至7×10~(-8)。Allan方差结果给出了系统的稳定时间,约为60s。实测实验室内CO_2浓度的结果表明,该测量系统具有良好的稳定性和可靠性,能够很好地监测痕量气体浓度的变化。     

结合环境参数修正的高温气体光谱检测系统设计

随着工业化进程加快，大气污染监控已受到广泛关注，为实现工业过程痕量气体浓度的准确监测，采用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)搭建了气体浓度在线监测系统，并以LabVIEW为软件开发平台完成了可视化界面。重点设计了数据处理功能及浓度反演算法，通过同步获取的环境压力参数对特征吸收光谱的有效拟合范围进行修正，提高吸光度信号的准确性，再通过读取的环境温度参数修正气体吸收线强以获得精确的浓度结果。将该系统应用于高温氨浓度在线测量实验中，获得高温不同压力下的氨气浓度测量结果。实验结果表明，在500 K温度下，不经过压力、温度参数修正的最大氨浓度反演偏差为18.81%，通过参数判断后再进行光谱提取和修正，得到浓度最大偏差为3.96%。该系统能够准确反演不同环境参数(压力、温度)下的气体浓度，实现了工业高温现场气体的实时、精确在线测量。     

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TDLAS技术的HCl气体在线探测温度补偿方法研究

HCl是非常重要的化工原料,而且具有很强的腐蚀性和毒性,对其实现在线监测不但对工业生产工艺的优化会起到重要作用,也能有效的为环境污染提供必要的参照和数据。可调谐半导体激光吸收光谱技术(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)具有高灵敏、高选择性、快速响应等特点,该技术利用了半导体激光器的可调谐和窄线宽特性,通过选择待测气体的某条吸收线可排除其他气体的干扰可实现待测气体浓度的快速在线检测。介绍基于TDLAS的HCl气体检测的系统及实验,重点研究了温度对HCl测量的影响及其温度补偿方法,得出了一个经验公式。最后的实验结果验证了经验公式的合理性,进一步提高了TDLAS传感器在工业高温环境下测量气体浓度的准确性和可行性。     

基于吸收光谱和激光干涉技术的气体压力测量方法研究

气体压力光学非接触测量是目前激光技术重要应用领域之一,其中气压测量过程中温度耦合问题是现在面临的研究难点。故而提出一种光谱测量技术与激光干涉技术组合测量方法,通过积分吸光度和折射率融合的方式实现气体压力、温度解耦的目的。分析可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS)的直接吸收法测量原理和基于折射率的激光干涉测量原理,建立基于吸收光谱的气压测量模型和基于折射率的激光干涉气压测量模型,通过利用三次多项式拟合吸收谱线强度函数的方式,建立了基于积分吸光度和折射率的气体压力、温度解耦的数学模型。实验搭建了基于TDLAS技术和激光干涉技术的气体压力检测系统,采用中心波长为2 004 nm的可调谐半导体激光器和波长为632.8 nm的激光干涉仪,气室长度为24.8 cm,将CO₂作为研究对象,并以高精度压力控制器和温度传感器的测量结果分别作为压力温度参考值,以真空为背景信号,在室温环境中测量并计算出气体压力变化后积分吸光度值和折射率值,进而解算得到气体压力和温度值。实验结果显示：压力测量结果最大相对误差为3.61%,最小相对误差为0.5%,测量平均相对误差为1.99%;在以开尔文温度为前提下,温度解算结果最大绝对误差为7.66 K,最小绝对误差为0.78 K,测量平均绝对误差为3.29 K,测量结果与参考结果具有较高的吻合度,该研究可为以后光学法测量气体压力温度影响分析提供参考。     

可调谐二极管激光吸收光谱射流强化

可调谐二极管激光吸收光谱分析技术(TDLAS)是近年来兴起的一种痕量气体分析方法。因其高分辨率、高分析速度、非接触测量、可实时在线监测等优点,受到人们广泛青睐,已经广泛应于科研和工业自动化等领域的气体检测中。为了满足分析仪器测量灵敏度和精度的要求,对于很低浓度和信噪比较小的痕量气体浓度测量,往往需要较长的吸收光程和复杂的数据处理算法,这增加了分析仪器的软硬件成本。本文提出利用高压气体射流产生的减压作用,在不改变TDLAS分析仪器软硬件设置的条件下提高TDLAS的分析能力。对于安装于样气压力为0.3～0.5 MPa和排气压力为219.3 kPa的TDLAS分析系统,实验结果表明,通过射流强化的方法,可以使信噪比提高24倍,探测灵敏度提高一个数量级,测量精度提高6.3倍。     

利用可调谐激光吸收光谱技术对光路上气体温度分布的测量

利用可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS),扫描多条吸收谱线以实现气体温度分布的测量。文章给出了温度分布测量的原理和方程离散化的方法,在气体浓度和压力均匀时,利用带约束最小二乘法计算得到温度分布。根据HITRAN中6 330 cm-1附近的4条CO谱线的参数,建立了温度在300和600 K时,路径长度均为55 cm的两段温度分布模型,模拟了测量误差与温度区间长度约束条件的影响。结果表明随着测量误差的增大和约束条件的减弱,计算结果误差相应增大。在5％的测量误差下,计算结果的最大误差为11％,平均误差为2.2％。以管式炉中的高温段和室温下的低温段作为两段温度分布模型进行试验。利用6 330 cm-1处的垂直腔面发射激光二极管(VCSEL)扫描得到的4条CO谱线,通过背景信号的三次多项式拟合得到基线,求出温度分布计算所需的光谱吸收率积分值。在四种情况下, 计算温度分布结果与模型误差分别为7.3％,6.5％,4.7％和2.7％。     

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.     

基于可调谐二极管激光吸收光谱的气池光程可溯源测量

在碳中和的国际大背景下,精确可靠地定量测量大气温室气体浓度对实现碳中和目标具有重要意义,开发测量结果可直接溯源至国际单位制SI的气体分析仪是精确可靠监测温室气体浓度的重要方法。可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术是常用的气体浓度测量方法,根据比尔-朗伯定律,实现仪器的测量浓度直接溯源至SI的必要条件之一是可直接溯源的气池光程,气池光程的不确定度直接影响气体浓度的测量不确定度,对气池光程的可溯源精确测量有利于发展测量结果可直接溯源的气体分析仪。针对光程标称为81 cm的三次反射型气池光程可溯源测量需求,使用校准的米尺测量该气池光程得到的直接测量结果为(81.21±0.80) cm,较大的测量不确定度（0.80 cm）是综合考虑定位误差和三段光路与测量路径可能不重合导致的测量误差估算得到的。为了减小测量不确定度,本文搭建了TDLAS气池光程测量系统,测量系统以1 576 nm分布式反馈激光器为光源,通过在激光控制器上加载斜坡扫描电压来测量待测气池内标准高纯二氧化碳（CO₂,99.999%）在6 344.68 cm-1附近的吸收光谱,使用测量结果可直接溯源的压力传感器和温度传感器分别测量气池内的压强和气体温度,采用美国国家标准技术局最新测量得到的30012-00001跃迁带P 4e支线强（相对标准不确定度为0.15%）反演气池光程,使用二次速度依赖Voigt线型精确拟合不同气压（36~75 Torr）下的光谱吸光度信号获得对应气压的积分吸光度,全面分析各参量的测量不确定度及其传递过程,对不同气压下的积分吸光度进行线性回归分析,计算得到可直接溯源的气池光程为(81.61±0.42) cm,相对标准不确定度为0.51%,测量不确定度范围落在直接测量结果范围内,测量不确定度小于直接测量结果。本文气池的光路结构是多次反射长光程气池的简化,该系统同样适用于多次反射长光程气池光程的可溯源测量。     

基于QCL-TDLAS的NH3浓度测量仿真研究

可调谐半导体激光吸收光谱（tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS）作为一种新型气体浓度测量技术被广泛应用于NH₃浓度测量领域。利用Matlab可视化建模仿真软件Simulink分别实现了以中远红外量子级联激光器（quantum cascade laser,QCL）和近红外分布反馈式激光器（distributed feedback laser,DFB）做为光源的NH₃浓度TDLAS直接吸收测量仿真,并且分别在常温常压和烟气脱硝出口环境参数下理论分析了NH₃浓度测量灵敏度、检测限和分辨率。仿真结果表明:与传统近红外DFB光源相比,QCL-TDLAS系统理论灵敏度高约50倍,检测限与分辨率可达ppb量级,痕量NH₃浓度测量能力得到大幅度提升。仿真过程和结果为QCL-TDLAS技术在NH₃浓度测量方面的研究提供了理论依据。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的氧气测量方法的研究

O₂是工业过程中广泛应用的重要气体, 在工业生产环境下实现O₂浓度的快速在线检测对提高燃烧效率和节能减排具有重要的意义。可调谐半导体激光吸收光谱谐波探测技术是一种具有高灵敏、高选择性、快速响应等特点的气体检测新技术,该技术利用了半导体激光器的可调谐和窄线宽特性,通过精心选择待测气体的某条吸收线可排除其他气体的干扰,实现待测气体浓度的高灵敏快速在线检测。文章以可调谐分布反馈(Distributed feedback, DFB)半导体激光器作为光源,通过波长调制方法对760 nm附近氧气某一吸收线的二次谐波信号测量,从而实现了对氧气浓度的快速在线检测。系统指标达到：检测范围0.01%～20%;检测精度0.1%;长期稳定性1%。     

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.     

可调谐激光二极管吸收光谱系统信号分析及谱线畸变校正技术研究

利用可调谐激光二极管吸收光谱技术进行气体检测时,波长调制伴随的光强幅度调制,会使解调出的谐波谱线发生畸变.在傅里叶分析的基础上对可调谐激光二极管吸收光谱任意调制幅度的波长调制光谱信号进行了分析,给出了光强幅度调制引起吸收谱线畸变的理论解释.提出了在波长调制过程中进行旧步平抑幅度调制的方法来消除谱线畸变,设计了实验方案并...     

可调谐二极管激光吸收光谱测量真空环境下气体温度的理论与实验研究

真空环境不仅会导致热电偶等温度传感器表面材料解吸,而且其传热机理也与常压不同,因此采用常压下校准和溯源的温度传感器测量真空环境下气体温度存在诸多不确定性问题,为此,本文利用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)测量真空环境下气体温度,探索TDLAS温度测量技术在真空环境下的应用前景,在模拟热真空实验过程中,首先将真空气室浸没于恒温槽中,然后利用TDLAS测量真空气室中气体温度,同时利用一等标准铂电阻测量恒温槽的温度,试验结果表明:TDLAS和一等标准铂电阻测量得到的气体温度和恒温槽温度具有高度的一致性,两者之间的误差在恒温槽温度稳定时不超过±0.2℃。     

TDLAS测量CO2的温度影响修正方法研究

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术测量CO₂浓度时,由于测量氛围温度变化的影响引起气体吸收谱线的线强和线型发生变化,最终导致浓度测量存在较大误差。为了克服温度变化对浓度测量的影响,选用中心波长在1 580 nm的DFB激光器,基于直接吸收法,模拟电厂尾部烟道内的高浓度二氧化碳气体环境,研究了在常温(298 K)和变温(298~338 K、间隔10 K)不同温度工况下CO₂浓度的测量。结果显示,常温浓度测量的最大相对误差为-5.26%,最小相对误差为1.25%,相对误差均方值为3.39%,验证了TDLAS测量系统在常温下有着良好的测量精度和稳定性,但其在变温测量时浓度测量结果误差较大,其最大相对误差已经超过25%。为了修正温度变化对浓度测量结果的影响,适应工业测量的需要,在变温测量基础上利用最小二乘法拟合出测量系统在不同温度下的浓度与气体吸收的修正关系式。经过修正后,CO₂浓度测量的相对误差降到5%以下,相对误差均方值降到3.5%以下。修正结果表明,所提出的修正方法可以有效抑制温度变化对浓度测量结果的影响,显著提高了测量系统在变温环境下的测量精度和稳定性,为TDLAS系统测量CO₂浓度的现场应用提供了理论支持和技术保障。