高灵敏度激光吸收光谱中的微弱信号处理

可调谐二极管激光频率调制吸收光谱（FM-TDLAS）技术是一种高灵敏度的痕量气体检测方法。为改善以CH₄为目标气体检测系统的信噪比,提高系统的检测灵敏度,以双平衡混频器（double balanced mixer）为核心,设计了一套用于提取被噪声淹没的微弱信号的调制解调高频相敏探测器。在对高频相敏探测器进行具体设计和分析的基础上, 结合实验,利用CH₄气体在1653nm附近的近红外吸收光谱,对整体电路的性能进行了测试,获得了具有较高信噪比的二次和一次谐波信号,检测灵敏度可达10×10^-6。     

一种基于谐波检测技术的光纤甲烷气体传感器

甲烷是易燃易爆气体,是矿井瓦斯及天然气等多种气体燃料的主要成分.气体爆炸一直是困扰煤矿安全生产的重大难题,因此现场实时检测甲烷气体浓度对于工矿安全运行,人身安全有着至关重要的作用.基于甲烷气体近红外吸收的机理,研究了一种以DFB LD为光源的高灵敏度光谱吸收型光纤甲烷气体传感器.利用光源调制实现气体浓度的谐波检测,用二次谐波与一次谐波的比值来消除光路干扰.建立了谐波检测的数学模型,给出了甲烷气体的测量结果.利用光纤作为传光通道,使得探头可以与测量电?肥迪滞耆绺衾?增强了系统的安全性.     

渐变折射率传感气室中干涉噪声的数值模拟与分析

在直接红外吸收式光纤气体传感器中,由渐变折射率（Graduated Refractive Index,GRIN）棒透镜构成的微型传感气室有着广泛的应用。分析了GRIN气室中的干涉噪声信号和甲烷信号,并利用MATLAB对干涉噪声信号的幅值与分布反馈式半导体激光器（DFBLD）的频率调制幅度之间的关系以及干涉噪声对气体检测灵敏度的影响进行了数值模拟与分析。当前谐波检测技术是气体检测的一种非常重要的技术,这种技术需要检测气体吸收信号的一次、二次或更高次谐波。而GRIN气室的二次干涉噪声对浓度信号有很大的影响,研究发现当频率调制幅度达到某些特定频率值时,二次干涉噪声信号的幅值变为零,通过调整气室参数和DFBLD的调制频率可以削减干涉噪声的影响从而提高谐波检测技术的检测灵敏度。     

光纤浓度传感器的实验研究

本文报道了采用光谱吸收法测量气体吸度的光纤传感器系统。在该系统中,可调谐的激光二极管作光源,几何长度0.8832m的怀特池作为吸收池。对CH₄气体的测量灵敏度达3.7×10^-9,还介绍了达到这一探测灵敏度的信号调制与探测技术,理论上对该系统的最小可探测压强作了估算。     

光纤器件

TN253 2004064312 新型光纤CO气体传感器的研究=Study of a novel optical fiber CO gas sensor[刊,中]/张景超(燕山大学理学院.河北,秦皇岛(066004)),刘瑾…∥光电子·激光.—2004,15(4).—428-431 基于CO气体近红外吸收的机理,研究了一种光谱吸收型光纤CO气体传感器。通过光纤光栅和压电陶瓷(PZT)对宽带光源LED进行波长调制,获得窄带反射出射光,检测其二次谐波,实现了CO气体的较高灵敏度测量。利用二次谐波与光纤光栅透射光强的比值来消除光     

基于改进希尔伯特-黄变换的超窄带激光器气体检测消噪研究

为降低电路及光路噪声等对痕量气体检测精度的影响,达到进一步提高痕量气体检测系统精度的目的,选用超窄带激光器作为系统光源并以谐波检测原理及改进希尔伯特-黄变换(IHHT)滤波算法作为数据处理的核心算法构建高精度痕量气体检测系统平台。选取甲烷作为被检测对象,理论计算得当光源输出中心波长为1650.959nm时,该系统甲烷气体体积分数C与输出光强一、二次谐波比值I2f/If的相关系数为0.084639。将一定体积分数的甲烷气体通入平台光纤气室中进行灵敏度实验,实验结果表明应用IHHT降噪处理后C与I2f/If的相关系数由使用傅里叶变换(FFT)处理的0.062585提升到0.074884,且气体体积分数越低,IHHT的降噪效果越好。     

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。     

23Al及其邻近丰质子核的奇异结构研究

在RIKEN-RIPS上测量了²³Al等丰质子核素的核反应总截面(σ_R)和平行动量分布(P^//). 观察到了²³Al核反应总截面的增强, 与以前的实验结果相符. 同时得到了²³Al等丰质子核素擦掉一个质子后的P_//. 在Few-body Glauber模型下对实验结果进行了讨论. P_//的宽度显示²³Al基态的外层质子处于d态, 这与g因子测量实验结果一致. 为了同时解释P_//和σ_R的实验测量结果, 我们认为²³Al可能有核芯增大的现象.     

超声波法测量大气折射率结构常数

 用AMK-02型超声波大气参数综合测量仪同时测量了常规气象参数和大气折射率结构常数C²_n,分析并找出了该仪器给出的C²_n在转换时刻与热丝温度脉动仪的测量结果差异较大的原因,是由于超声波法测量温度脉动精度太低,只能达到0.01 K。同时建立了另一种适用于超声波仪计算C²_n的方法,即利用该仪器准确的常规气象参数计算C²_n,其计算结果与热丝温度脉动仪的测量结果吻合较好。     

基于内腔光纤激光器的痕量气体光谱检测

因为器件性价比高、可复用、远距离探测,抗电磁辐射等优势,基于内腔光纤激光器的气体光谱检测方法受到了广泛的关注.通过精心设计气室和反射镜,建立了内腔光纤激光器气体检测系统.在锯齿波电压驱动下,F-P可调谐滤波器连续调谐,实现了波长扫描,可获得多条气体吸收谱线,一次扫描相当于多次测量,极大的提高了测量灵敏度.实验结果表明,...     

基于角反射镜的气体传感器

介绍了一种由两个角反射镜构成的气体传感器吸收池。利用角反射镜的反射特性和对光束的倾斜不敏感性,提高了吸收池的稳定性和灵敏度。用几何光学方法分析光束的传输特性。提出了探测光在单波长和双波长时的传输方程和系统的测量方程,构建了一种气体浓度检测系统。探测光在吸收池中来回传播的次数N由两个角反射镜的轴间距离决定,差分光吸收光谱(DOAS)的灵敏度与光在池内的传播次数N成正比。在N为3时,电池的检测阈值接近50 ppm     

一种光纤光声SO2气体浓度传感器的研究

论述了光声光谱信号的产生原理,研究了一种新型光声光纤SO2气体浓度传感器,建立了适合应用光纤作为传感器的数学模型。采用染料激光器作为激励光源,用光纤位移传感器代替传统的微音器,测量被气体吸收并转变为声压信号,从而对SO2气体浓度进行测量。给出了实验结果,分析了影响灵敏度的主要因素,提出了相应的改进措施。     

空芯光纤气体传感气室的优化设计

波导式光学吸收腔在气体和液体浓度测量等领域有广泛的应用前景。空芯光纤作为光学吸收腔具有很多优点。空芯光纤的参数与传感系统的性能有直接的关系。提出了一种能同时考虑空芯光纤的损耗和系统信噪比的数学模型。从理论上分析了光纤的长度、内径、目标气体浓度以及输入光场能量分布等因素对传感系统信号输出强度和灵敏度的影响。给出的最优化参数为提高系统灵敏度和补偿系统误差提供了参考。     

基于光纤光栅滤波的新型光纤瓦斯传感系统

根据比尔-朗伯定律, 设计了一种用于检测瓦斯气体浓度的新型光纤瓦斯传感系统。该系统利用光纤布拉格光栅优良的窄带滤波特性来产生差分吸收测量所需的窄谱光信号, 具有光路全光纤化、结构简单的特点。采用非球面光纤准直器构成光纤瓦斯传感探头, 提高了探头的光学稳定性, 进一步提高了测量灵敏度和测量稳定性。实验数据及结果表明, 系统具有良好的稳定性, 其测量灵敏度可达0.01%的体积分数, 测量范围大于5%的体积分数。     

基于菲涅耳透镜开放光路天然气泄漏检测系统设计研究

天然气泄漏直接导致能源浪费和环境污染,造成重大经济损失。以可调谐半导体激光吸收光谱技术为基础的光学检测方法具有精度高、选择性强、响应速度快以及远距离遥测等优点,使其成为天然气站场以及天然气输运管道在线监测的理想方法。可调谐半导体激光吸收光谱与谐波探测相结合,设计了一套开放式长光程的用于天然气泄漏监测的实验系统。它以中心波长为1.65 μm的分布式反馈InGaAS激光器为光源,利用实心角反射器,在发射端以菲涅耳透镜为光学接收系统,把反射回来的光聚焦到InGaAs探测器。同时,在测量过程中,考虑到光强变化对浓度的影响,并通过归一化光强的方法进行消除,使光强波动引起的误差小于1%。在320 m的光程下模拟管道泄漏实验,系统的检测灵敏度为0.1(10-6体积比),根据光学系统收光效率以及探测器的可探测性能进行分析的最小光强,计算得到该系统可探测的光程可达2 000 m,证明完全满足天然气泄漏检测的需求。     

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%。     

基于光谱吸收法的甲烷气体传感器的研究

基于甲烷气体的红外光谱吸收特性,研究了长光程差分吸收式甲烷气体检测的方法.差分吸收法消除了光源不稳定及光电器件的热零点漂移等因素对测量精度的影响,提高了系统检测灵敏度.该方法用LED16做光源,结构简单、成本低廉,配上专门设计的气室,响应度较高的探测器,以及以DSP为核心的数据处理电路,研制出了实用的甲烷气体传感器.