高精度中红外大气C_2H_6传感系统的研制

C_2H_6作为温室气体之一,对光化学污染的产生和臭氧层的破坏具有促进作用。C_2H_6在大气中的含量极低,对传感器的探测精度具有较高要求。报道了一种使用中红外连续波长带间级联激光器(ICL)检测大气中C_2H_6浓度的传感器,其测量精度可达到10~(-9)量级。采用容积为220mL、光程为54.6m的多通池增加气体吸收光程,降低检测下限,提高灵敏度。采用LabVIEW虚拟仪器平台编程产生激光器扫描、调制信号及其叠加,通过数据采集卡(DAQ)输出到ICL驱动源。通过DAQ读取探测器输出信号,由LabVIEW程序进行信号的锁相放大及二次谐波提取。实验结果表明:当系统采样时间为1.67s时,阿伦标准差为1.86×10~(-9),且阿伦标准差在平均时间为775s时达到最小值,即系统达到最佳稳定度,为0.026×10~(-9)。将该系统放置于燃气站进行检测实验,证明所研制的C_2H_6传感器具有实用价值。     

双光程光声光谱甲烷传感器

利用甲烷(CH₄)气体分子在1.6 μm的吸收特性,使用中心波数为6 046.96 cm-1的蝶形分布反馈式(DFB)激光器和自制的大内径光声池,设计了一款紧凑高灵敏的CH₄气体传感器。为了进一步增强输出光声信号强度,一个具有高反射率的平面镜放置在光声池后,使透射光束被反射后,二次通过光声池,增强了光与被测气体的作用距离,使光声信号提高了1.9倍。传感器各项参数,包括调制频率、调制深度及气体流速被优化。在标准大气压和1 s的积分时间下,该传感器最终获得的探测灵敏度为0.21 ppm,1σ归一化等效噪声系数(NNEA)为2.1×10-8 cm-1·W·Hz-1/2。该甲烷传感器使用性价比高的DFB近红外激光二极管作为激发光源,装置简单,成本低廉可以满足大气环境检测、矿井瓦斯监测、工业过程控制及无创伤医疗诊断等领域的需求。     

光学式低浓度甲烷气体传感器的研究

针对0.5%VOL以下的低浓度甲烷气体,设计了一种基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱的光学式甲烷气体传感器.调谐激光器扫描甲烷气体位于1 653.72 nm处的吸收谱线,采用一次谐波"峰-平比"对气体浓度进行测量.该方案能够有效地消除激光器光强波动和其它同类光功率波动所带来的影响,通过标定后的测试实验表明传感器测量准确...     

一种差分吸收式光纤瓦斯传感系统

基于差分吸收法,研究了一种光纤瓦斯传感系统.采用双波长参考测量法,选取输出波长为1551nm的分布式反馈半导体激光器作为参考光源,输出波长为1 653nm的激光器作为甲烷气体的吸收峰处光源,通过改变甲烷气体吸收峰处激光器的输出波长,使其扫描到甲烷气体的吸收峰,通过比较吸收峰处和没有吸收峰处的光功率,测得甲烷气体浓度的分辨率达到0.038%.实验结果表明该系统的分辨率高、稳定性好、抗干扰能力强,可用于对煤矿瓦斯气体的检测.     

基于红外光谱吸收的煤矿瓦斯光纤传感网络

基于气体在其特征吸收波长下光的吸收随浓度变化的原理,通过对甲烷气体红外吸收光谱的分析,设计了一套检测甲烷气体浓度的多点光纤传感网络。该系统采用分布反馈式半导体激光器(DFB LD)作为光源,高灵敏度、低噪声的InGaAs PIN作为光电探测器,结合空分复用技术复用了16个甲烷气体传感器,采用滤波、前置放大等电路对微弱信号进行处理,经PCI数据采集卡采集各路信号后,再用软件编写程序对采集信号进行快速傅里叶变换等分析。研究表明,该网络各传感器的灵敏度均达到200 ppm(μｇ·mL-1),长时间的精确度和稳定性均可满足实际要求,单个传感器的响应时间小于2 s,系统巡检一周的时间小于32 s。通过理论分析得出,该系统各传感器可放置于离地面20公里以上的矿井中,且该系统可在多场合进行多点的实时检测。     

硬件可重构近红外波长调制甲烷传感器及应用（特邀）

为了加快气体吸收光谱分析算法的求解速度、重构算法的硬件逻辑，采用现场可编程门阵列（FPGA）器件，结合波长调制光谱技术，研制了一种硬件可重构波长调制甲烷传感器。根据应用功能需求，可在硬件层面重构逻辑电路，从而更新系统工作模式和探测参数。采用流水线技术，对光谱分析算法进行了硬件加速，光谱分析部分的输入与输出之间的时间延迟仅为4.05 ms。实验分析了该传感器在连续、间歇两种工作状态下的波形与电流，证明了该系统工作模式的可重构特性，也证实了采用间歇式工作降低激光气体传感器功耗的可行性。采用正弦信号对FPGA算法部分的功能进行了测试，结果表明，测得的信号幅值与输入信号幅值的线性度达到了99.99%。采用中心波长为2 334 nm的分布式反馈激光器作为光源、光程为25 m的赫里奥特气室作为气体吸收池，开展了甲烷检测实验。传感器的线性度为99.97%，响应时间约为4.9 s。艾伦方差结果表明，当积分时间为0.5 s时，传感器的检测下限为7.8×10-6。开展的甲烷泄露实验证实了该传感器的现场应用能力。设计的FPGA算法，通过硬件编程，可实现传感器工作模式与参数的灵活重构，在激光气体传感领域具有较...     

基于中红外DFG光源的甲烷气体光谱检测方法研究

基于中红外光源的气体光谱检测是新的痕量气体监测与分析方法,在大气监测领域具有重要的应用。构建了一套基于中红外DFG光源的甲烷气体光谱检测系统。该系统以1 550 nm和1 060 nm波段可调谐半导体激光器作为基频光源,采用PPLN晶体作为差频非线性变频器件,实现了3.3 μm处的窄线宽可调谐中红外光源输出。实验结果表明,当PPLN晶体工作温度为99.5℃时,闲频光的输出功率为112 μW,差频转换效率达到1.246 mW/W2。晶体的温度接受带宽为4.3℃,泵浦光波长接受带宽为5.3 nm。在此基础上,分别利用直接吸收法和谐波检测法获得了3 028.751 cm-1处的甲烷气体吸收光谱和二次谐波检测信号。     

一种中红外带间级联激光甲烷传感器的研制

甲烷(CH_4)是大气环境监测、工业过程控制、煤矿生产安全等多个领域中需重点监测的气体之一,研制CH_4传感器具有广泛的应用价值。利用CH_4分子在3.31μm附近的基频吸收带并选择其在3038.5cm~(-1)的吸收线作为目标谱线,研制了一种基于中红外室温、连续、单模带间级联激光器(ICL)的CH_4传感器。该传感器采用可调谐激光直接吸收光谱技术以及长光程(54.6m)吸收光谱技术测定CH_4气体浓度。自主研制了高灵敏、低功耗的激光器温度控制器和电流驱动器,编写了基于LabVIEW的数据产生、采集与处理程序。利用体积分数为2.1×10~(-6)的CH_4标准气体和气体稀释系统配备了不同浓度的CH_4气体样品,开展了传感器的性能测试实验。根据传感器标准差的分析结果,当采样周期为2.5s时,传感器的1σ检测下限约为1.1×10~(-8)。利用该传感器对室外大气中CH_4浓度进行了连续84h的监测,结果证实了所研制CH_4传感器的工程实用价值。     

基于TDLAS技术的全量程激光甲烷传感器

根据煤矿安全生产监控系统对测量甲烷浓度全量程高准确度的需要,基于可调谐半导体激光吸收光谱技术,设计了一种全量程一体化激光甲烷传感器.采用1 653.72nm分布式反馈半导体激光器作为系统光源,单板电路实现激光器驱动、温度控制、信号调制与解调、浓度反演.为兼顾高测量准确度和大动态测量范围,系统在低浓度时利用波长调制技术进行甲烷浓度在线检测;当气体浓度大于阈值时,自动切换到直接吸收检测技术.实验结果表明,该传感器在浓度范围为0~5%内误差小于±0.06%,在浓度范围为5~100%内误差小于真值的±6%,响应时间约为15s,满足矿井实际测量需要.     

基于TDLAS的近红外甲烷高灵敏检测技术

为增强甲烷气体检测技术的气体吸收率,提高检测灵敏度,利用可调谐二极管激光吸收光谱技术,采用中心波长为1 653.7 nm的分布反馈激光器作为光源,研制了有效光程为14.5 m的Herriott型气体吸收池,并采用波长调制光谱法进行甲烷气体浓度检测。结果表明,二次谐波峰值信号与甲烷气体浓度成较强的线性关系,线性度为0.998 52,检测下限为4.82 ppm;初始积分时间为1 s时的Allan方差为6.37 ppm;积分时间到112 s时,Allan方差为427 ppb,检测灵敏度为4.27×10^-7。     

基于扫描光纤激光器的光纤传感解调仪研究

介绍了一种基于扫描光纤激光器的光纤传感解调系统.采用氰化氢（HCN）气体吸收池作为波长参考基准,采用三次多项式拟合的方法来确定光纤F- P可调谐滤波器的波长与驱动电压的对应关系,可调谐滤波器扫描过程中对扫描电压、多路光谱信号进行同步采样,实时标定.实验结果表明,该解调系统在1 510 nm到1 590 nm波长范围内对FBG反射峰值波长的分辨率为1.4 pm,长期波长重复性达到3.2 pm.利用该系统实现了对FBG反射峰值波长和光纤EFPI传感器腔长的高准确度解调.     

基于TDLAS-WMS的痕量甲烷气体检测仪

甲烷是一种无色、无味、易燃、易爆的气体,不仅造成煤矿作业的重大安全隐患,而且又是温室效应的重要气体之一,对于甲烷气体的监测具有极其重要的意义。采用混合可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)与波长调制光谱(WMS)的检测技术,利用甲烷的2v3(第二泛频带)带R(3)支带吸收谱线,设计并研制出痕量甲烷气体检测仪。通过调谐系数-0.591 cm-1·K-1,采用改变DFB激光器工作温度的方式来获得甲烷在1.654 μm处的最佳吸收谱线。待DFB激光器激射中心谱线选择后,通过调节其注入电流幅值来获得合适的发光强度。同时,结合频率调制技术将待测信号频率移至高频区,减小1/f噪声。在光学结构方面,采用有效光程为76 m的herriott气室,确保对痕量甲烷气体进行检测。利用该痕量甲烷气体检测仪,在被测气体浓度为50～5 000 μmol·mol-1的范围内,对二次谐波信号进行了提取,并利用最小均方误差准则分别对气体浓度、信噪比的关系、谐波峰值信号与气体浓度的关系进行了线性拟合,最低检测限达到了1.4 μmol·mol-1。实验表明,谐波波形对称性良好,未观察到强度调制现象,消除强度调制等因素对谐波检测的影响。     

中红外痕量乙烷传感器设计与稳定性分析

根据乙烷气体分子在3.3 μm处的基频吸收特性,使用中心波长为3.337 μm室温连续带间级联激光器(ICL)和有效光程为54.6 m密集光斑多通气体吸收气室(600 mL)研制了基于波长调制光谱技术(WMS)的乙烷传感器。详细介绍了基于WMS和二次谐波(2f)探测技术的光谱吸收法气体检测原理,给出了目标乙烷气体吸收线的遴选细节。此项技术的使用减小了光功率漂移对系统的影响,使得系统最低检测下限(MDL)和稳定性能得到提升。结合原理框图,通过光学和电学两个模块分别详细介绍了乙烷传感系统设计方案,描述了自主研制的软、硬件单元和商用仪器的使用及其型号供他人参考,并给出传感器光学配置实物图。而且,为匹配激光波长调制与基于压力的吸收线宽,对气压和调制深度进行优化,研究了调制幅度对应2f信号峰值及调制幅度与调制深度的关系,最终确定最优气压和调制深度分别为100 Torr和0.074 cm-1,对应的调制信号幅度为~0.026 V。此外,基于优化后的气压和调制深度,使用136.8 nmol·mol-1 乙烷标准气体进行了系统灵敏度估算。详细介绍了ICL扫描调制信号、锁相放大及数据采集单元的参数设置,并给出示波器记录的扫描调制信号及2f信号波形图片。通过对比DAQ采集的2f信号和背景噪声信号,估算系统最低检测下限为33 nmol·mol-1。最后,使用9个不同浓度乙烷标准气体(20～400 nmol·mol-1)分别进行~5 min系统标定测试,并列出了拟合曲线和拟合相关度等信息。而且,使用浓度为48 nmol·mol-1乙烷气体样品开展连续2 h系统稳定性测试并进行Allan-Werle 方差分析。结果显示,该系统工作稳定,积分时间为4 s时,乙烷气体检测灵敏度为~0.81 nmol·mol-1。通过增加系统积分时间至63 s,系统灵敏度可被提高至~0.36 nmol·mol-1。     

基于中红外分布反馈量子级联激光器的光声光谱技术用于痕量甲烷气体检测

由于工业监控和环境检测的需要,甲烷气体检测日益得到人们的关注。研究了基于中红外分布反馈量子级联激光器(DFB-QCL)的光声光谱技术,并应用于痕量甲烷的检测。自主研发的DFB-QCL室温工作时的激射波长在7.6μm附近,覆盖了甲烷的特征吸收谱线1 316.83cm-1。待测甲烷气体充入亥姆霍兹光声谐振腔中,DFB-QCL的工作频率为234Hz、室温脉冲工作时峰值功率为80mW。中红外光经过甲烷吸收后,产生的声波信号经麦克风检测,由锁相放大器对信号进行采集并输入计算机进行处理。按信噪比为1计算,得到甲烷的探测极限为189nmol.mol-1。     

基于中红外痕量甲烷检测的地震预警仪

随着地震断裂带气体观测技术的快速发展,为了对地震进行精确的预报,减少因地震给人民群众生命和财产带来的损失,根据甲烷气体的释放与地震前上地壳岩石的微裂隙有直接关系的这一微观变化,设计并研制中红外痕量甲烷气体检测仪。仪器采用激发波长为7.65 μm的量子级联激光器(QCL),结合双光路长度为76 m的多次反射herriott长光程气体吸收池,可以在4 s的采样时间内实现40 nmol·mol-1气体检测灵敏度。同时,采用半导体激光器频率调制直接光谱吸收技术,降低了该仪器噪声的主要来源1/f噪声,使气体检测下限达到5 nmol·mol-1 (40 s采用时间)。在野外实验中,利用可控震源车作为模拟地震源,将6个痕量甲烷检测仪以100 m为距离等间隔放置,对距震源中心不同距离下的地表面甲烷气体浓度进行动态测量。实验表明,该仪器可以监测地震前地下痕量甲烷气体的释放,为地震前兆预警提供新的途径。     

地基CO2廓线探测差分吸收激光雷达

研制了一台利用气溶胶散射信号的CO₂廓线探测差分吸收激光雷达. 系统利用染料激光器实现波长调制, 采用双光路气体吸收池, 结合Voigt拟合方法实现了脉冲红外激光的高精度定标. 针对输出激光带宽较宽的问题, 采取仿真实验评估了影响, 并设计了基于吸收池的订正因子获取方案. 进而, 开展了水平、垂直和连续观测实验, 通过与地面CO₂分析仪测量值的对比, 证明了系统具备优越的精密性和精确性. 实验表明, 该样机能够俘获CO₂浓度随高程和时间变化而产生的变化.     

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。     

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TDLAS-WMS的中红外痕量CH_4检测仪

为了对痕量甲烷(CH4)进行非接触式检测,采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)与波长调制光谱(WMS)的检测技术,利用CH4位于中红外波段1 332.8cm-1吸收谱线,设计并研制出痕量CH4检测仪。该仪器使用中心波长为7.5μm的中红外量子级联激光器(QCL),通过调谐系数-0.2cm-1·A-1,采用固定工作温度调节其注入电流(0.6~1.6 A)的方式使其发光光谱扫描CH4气体吸收谱线(1 332.8cm-1)。在光学结构方面,该仪器采用光程为76m的herriott长光程密闭气体吸收气室,配合差分检测光路,降低了由激光光源波动引起的噪声,确保对痕量CH4进行检测。实验中,实现了40×10-9最低检测下限,检测结果的相对误差为0.09%,稳定度优于2.8%,验证了该仪器的可行性。     

面向SF_6气体绝缘设备故障检测的光声CO气体传感器设计和优化

针对电力系统对六氟化硫电气绝缘设备中气体衍生物的在线高精度探测需要,提出了差分双通道结构的光声池作为光声探测模块,并使用中心波长为2.3μm的分布式反馈(distributed feedback laser, DFB)激光器作为激励光源,搭建了一款工作在高浓度六氟化硫背景气体中的一氧化碳气体传感器.通过光声共振理论模拟和设计,在纯六氟化硫气体中光声池的品质因子为84,相对于在氮气载气中的品质因子提高了约4倍.经实验验证,差分结构光声池的最大气体流速较单共振腔光声池提高了6倍,且具有较强的噪声免疫能力.在对传感器系统的共振频率、气流速度和工作压强等参数优化后,在1 s的积分时间下,获得一氧化碳气体的探测灵敏度为体积分数1.18×10~(–6),对应的归一化噪声等效浓度(1σ)为3.68×10~(–8) cm~(–1)·W·Hz~(–1/2).该传感器的灵敏度高,选择性好且噪声免疫能力强,可以为电力系统中潜在性绝缘故障诊断提供一种在线探测技术,具有重要的应用前景.