基于光纤光声传感的多组分痕量气体检测技术

为进一步提升多组分痕量气体检测灵敏度,设计了一套光纤光声传感系统。系统主要集成了2个近红外DFB激光器、近红外宽带光源、高速光谱模块、现场可编程逻辑门阵列信号采集与处理电路,具有激光调制控制、光声信号解调和数字锁相放大等功能。利用声学共振腔和干涉型光纤声波传感器对光声信号进行激发增强和探测增强,实现了乙炔和甲烷气体的高灵敏度检测。光纤声波传感器中以微机电系统悬臂梁作为声学敏感元件,设计了光纤法布里-珀罗干涉结构,将悬臂梁偏转位移转换为F-P腔长的变化。采用高分辨率光谱解调技术,实现了基于光纤F-P传感器的超高灵敏度光声信号检测。系统对乙炔和甲烷的检测极限分别达到2×10^-9和3×10^-9,归一化噪声等效吸收系数为8×10^-10cm^-1W Hz^-1/2。     

全光型石英增强光声光谱

设计并演示了一种全光型石英增强光声光谱技术, 该技术在传统的石英增强光声光谱系统中增加了另一束探测光束, 把与气体浓度成正比的石英晶振振臂的振动幅值转化为探测光束的强度变化, 实现了探测气体处无电子元件的全光学系统. 如此的设计使该系统具有较强的抗电磁干扰能力和非常小的传感头体积, 能够用于探测空间受限或探测环境恶劣的情况下, 并实现远距离探测. 在这种配置下, 探测大气压下的水汽, 获得的噪声等效吸收系数为1.13×10^-6 cm^-1W/√Hz. 进一步讨论了优化系统和提升其探测灵敏度的途径. 关键词： 石英增强光声光谱 音叉式石英晶振 气体传感     

近红外激光二氧化碳传感系统的研制及应用

采用可调谐激光二极管吸收光谱技术,研制了一种近红外激光二氧化碳(CO₂)传感系统。该系统包含中心波长为1572 nm的分布反馈激光器、密集光斑型气室和铟镓砷探测器,利用LabVIEW程序提取二次谐波信号幅值并反演了CO₂浓度。为了表征传感器性能,利用该系统开展了气体检测实验。结果显示,当调制深度为0.32 cm^-1时,二次谐波信号的幅值最大;在体积分数为0～3%范围内,二次谐波信号的幅值与CO₂浓度具有较高的线性度(拟合优度为0.999);当CO₂体积分数为0时,连续测试1 h,反演得到的浓度波动范围为-2×10^-4～1.17×10^-4;当积分时间为297 s时,系统的灵敏度检测下限为2.7×10^-6;考虑动态配气时气体的扩散时间,系统的响应时间为40～42 s;连续15 h测量室内大气中CO₂浓度,测得的CO₂平均体积分数约为(560±46)×10^-6     

光纤倏逝波型石英增强光声光谱技术

采用块状光学准直聚焦透镜组的传统石英增强光声光谱(QEPAS)技术存在体积难以缩减,结构稳定性不佳,无法适应空间狭小、振动复杂的特殊环境等缺点.基于此,将光纤倏逝波技术与QEPAS技术相结合,提出了一种新型微纳结构光纤QEPAS痕量气体检测技术.实验中,为了提高QEPAS系统信号幅值,优化了石英音叉与激光束的空间位置、激光波长调制深度,同时对比了两种不同共振频率的石英音叉,最终采用共振频率较低的30.720 kHz石英音叉作为声波探测元件,获得的检测极限为6.25×10~(-4)(体积分数),归一化噪声等效吸收系数为4.18×10~(-7)cm~(-1).W·Hz~(-1/2).     

基于QEPAS技术的乙炔微量气体高灵敏度检测研究

石英增强光声光谱(QEPAS)是近年来发展起来的一种痕量气体探测技术,具有系统体积小、价格低廉、探测灵敏度高等优点。乙炔(C₂H₂)是一种化学性质活泼的有毒气体,对它进行高灵敏度检测在变压器故障诊断、环境监测等领域有着重要的意义,基于此,采用QEPAS技术对C₂H₂微量气体展开高灵敏度检测研究。采用输出波长为1.53 μm的连续波分布反馈半导体激光器作为激发光源。为了提高信噪比和简化数据处理过程,QEPAS传感器系统采用波长调制和2次谐波探测技术。为了提高QEPAS系统信号幅值,相比于常见的共振频率为32.768 kHz的石英音叉,采用了共振频率较低的30.72 kHz石英音叉作为声波传导器,同时还优化了石英音叉与激光束的空间位置、激光波长调制深度,并添加了声波微共振腔,选择的微共振腔长度为4 mm、内径为0.5 mm,最终获得了2.7 ppm的优异检测极限,归一化噪声等效吸收系数为1.3×10-8 cm-1·W·Hz-1/2。     

波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)在线监测大气CO浓度

波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)同时具有直接吸收光谱(DAS)可测量吸收率函数和波长调制光谱(WMS)高信噪比的优点,本文首先采用WM-DAS光谱,在50 cm光程和室温低压下,CO分子近红外4300.7 cm^-1谱线吸收率检测限低至4×10^-7(200 s);然后结合120 m长光程Herriott池,在室温大气压下,吸收率函数拟合残差标准差达到5.1×10^-5(1 s).最后利用长光程WM-DAS测量系统,对不同浓度(体积分数为0.44×10^-6—9.6×10^-6)CO进行了动态测量,并将其与腔衰荡光谱(CRDS)进行比较;实验结果表明:本文采用的长光程WM-DAS与CRDS方法测量结果相同,其中长光程WM-DAS系统CO浓度检测限低至0.9×10^-9(200 s),系统简单且测量速度远快于CRDS.与此同时,利用建立的长光程WM-DAS测量系统连续监测1个月时间内大气痕量CO浓度及其变化趋势,测量结果与中国环境监测总站测量结题高度一致.     

基于单一量子级联激光器的大气多组分气体（CO、N2O、H2O）同时测量方法

近红外波段的气体吸收强度低,不利于痕量气体的测量。利用分子在中红外波段的基频吸收特性,使用单个新型室温连续输出量子级联激光器（CW-QCL）结合波长调制光谱技术（WMS）和长程光学吸收池,建立了一套高灵敏度和高精度的大气多组分温室气体同时检测的激光光谱系统。该系统的输出波数范围为2202.8～2205.6 cm^-1,覆盖了CO、N₂O和H₂O的中心吸收谱线。实验测试结果表明：在1 s的时间分辨率下,CO、N₂O和H₂O的测量精度分别为1.83×10^-8,1.86×10^-9,1.19×10^-4;当满足最佳积分时间（100 s）时,系统的最低检测限可以达到1.8×10^-9（CO）,0.16×10^-9（N₂O）,1.5×10^-5（H₂O）。通过长时间测量和分析可知,所提系统部件简单,使用方便,满足大气多组分气体...     

氨气高精度激光光谱检测装置的设计及实现

氨气排放会对环境以及人体健康造成危害,因此对环境中氨气浓度的高精度监测显得尤为重要。本文基于具有高灵敏度、高响应速度等优点的离轴积分腔输出光谱技术(OA-ICOS)对氨气高精度检测装置进行设计。使用基长30 cm装有反射率为99.99%的高反镜的光学谐振腔作为气体吸收池,实现了近3 000 m的光程,将中心波长为1 528 nm的分布反馈式激光器(DFB)调谐至6 548.611 cm^-1和6 548.798 cm^-1附近,在常温18.6 kPa的气压下对1×10^-5～5×10^-5范围内NH₃进行了检测。测量结果表明NH₃浓度与信号幅值的线性拟合度R²可达0.999 79。使用Allan方差对实验数据进行分析得到13 s后系统的平均检测极限为9.8×10^-9,在103 s时系统的最低检测极限可达7×10^-9(S/N～1)。实验结果表明,该检测装置具有良好的稳定性与高灵敏度,满足对氨气高精度检...     

珐珀解调的石英增强光声光谱气体探测系统

提出一种珐珀解调,适用于开放环境的全光式石英增强光声光谱气体探测系统。基于石英增强光声光谱系统,采用法珀干涉解调代替传统的电解调方式,通过拾取石英音叉的叉指侧面与光纤端面之间形成的法珀腔的腔长变化解调得到被测气体的光声光谱信号。构建了实验系统,在开放环境中完成了对空气中水蒸气的探测实验,得到其归一化噪声等效吸收系数为2.80×10-7 cm-1.W.Hz-1/2。结果表明,该探测系统的探测灵敏度是传统石英增强光声光谱探测系统的2.6倍。该系统具有极强的抗电磁干扰能力、能够用于易燃易爆气体检测、适用于高温、高湿度等恶劣环境并实现远距离多点、组网探测。     

基于微型非共振腔的石英增强光声光谱用于氦气纯度分析的实验研究

实验中设计了一种基于微型非共振腔的石英增强光声光谱痕量气体传感器, 用来检测非纯氦气中的痕量氨气浓度. 该传感器采用的微型非共振腔只在空间上限制声波扩散以达到增强信号目的, 而不是像传统微型共振腔一样依靠共振效应. 如此的设计使探测小分子无机气体的光谱测声器尺寸远远小于共振腔的配置而有利于准直. 不同气压下的信号和噪声也被研究, 用来优化传感器性能. 在这种配置下和27.7 kPa的最优气压下, 获得的最佳氨气探测灵敏度为463 ppb (1σ , 1 s积分时间), 相应的归一化噪声等效吸收系数为4.3×10^-9cm^-1W/√Hz. 关键词： 气体传感器 石英增强光声光谱 音叉式石英晶振 类氢气体纯度分析     

基于功率增强型QEPAS技术的二氧化碳气体高灵敏检测研究

二氧化碳(CO₂)是环境大气以及燃烧废气的主要成分,同时也是重要的化工原料,对其浓度进行高灵敏度检测在物理、生物、化学等众多学科中均有重要的应用。传统检测方法已经无法满足国防科研、能源化工、医疗诊断等科技前沿领域中对CO₂浓度检测的需求。石英增强光声光谱(QEPAS)技术是近年来发展迅速的一种激光检测技术,具有高分辨率、小体积、对环境噪声免疫等优点。基于QEPAS技术探测灵敏度与激励光功率成正比的特性,以中心波长为1 572 nm的窄线宽分布反馈式半导体激光器为激励光源,将掺饵光纤放大器(EDFA)与QEPAS技术联用,提出了功率增强型QEPAS技术,实现了光声信号的大幅度提高。此外,通过波长调制技术、谐波解调技术以及电调制相消技术的使用,成功将装置的整体噪声压制在音叉式石英晶振的理论热噪声水平。激光波长调制深度对装置信号幅度的影响也通过实验在一个标准大气压下进行了研究。结果显示,对6 361.25 cm-1处CO₂气体吸收线,当激光功率为1 495 mW,调制深度为0.33 cm-1,系统探测带宽为0.833 Hz时,功率增强型QEPAS装置对CO₂的探测灵敏度为3.5 ppm,归一化等效吸收系数为1.01×10-8 W·cm-1·Hz-1/2。     

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。     

利用可调谐半导体激光光谱技术对含尘气体中NH3的测量

利用可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）并结合波长调制，在近红外波段1531.7nm处对常温常压下的NH₃进行浓度测量.在10m的长程吸收池内得到了25×10^-6的浓度信号，并且在25×10^-6—400×10^-6浓度范围内二次谐波信号与浓度具有良好的线性关系.讨论了粉尘颗粒对于二次谐波信号的干扰，并提出了利用激光强度线性拟合解决颗粒对气体测量干扰的方法. 关键词： 可调谐半导体吸收光谱 波长调制 3浓度测量')" href="#">NH₃浓度测量 颗粒影响     

基于2.004μm的离轴石英音叉增强型光声光谱测量CO_2的研究

CO_2是大气的重要组成成分,也是现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气的产物。一方面大量的人源排放CO_2进入大气是引发温室效应最主要因素,另一方面, CO_2是窒息性气体,在封闭环境积累过高的CO_2会导致窒息等安全问题。因此发展小型化、高灵敏度的CO_2检测技术在大气环境探测、封闭环境工作区域安全监测等方面具有重要意义和应用需求。利用近年来快速发展的小型化石英音叉谐振增强光声光谱技术,采用相对简单的离轴结构方案,开展了探测CO_2的研究。离轴石英音叉增强型光声光谱技术具有探测模块体积小、灵敏度高、抗干扰、成本低、功耗低,对激光器要求低等优点,在发展低功耗便携式气体传感器方面具有巨大的潜力。近年来,尤其是随着近红外激光器技术的逐渐成熟,为离轴石英音叉增强型光声光谱技术提供质量更好、能量更高的激励光源,使得离轴石英音叉增强型光声光谱检测技术具有更高的探测灵敏度,实现了在低浓度下对气体进行精确的检测。通过HITRAN 2012分子光谱数据库筛选出适合探测的谱线,选择2.004μm近红外分布反馈式半导体激光器作为激励光源,通过波长调制方式来激发CO_2光声信号,并采用二次谐波检测技术实现光声信号的探测。实验中通过对进样CO_2气体加湿、优化调制振幅等方式提高检测性能,实现了空气CO_2的探测。在常压下,通过配气仪配置不同浓度的CO_2样品,开展了浓度与信号的响应特性研究,获得了良好的线性响应结果。同时也开展了相同浓度CO_2样品在不同压力下的信号测量研究,并用Allan方差对系统性能进行评估。结果表明,当平均时间为1 000 s时,系统的探测极限为4×10~(-3)μL·L~(-1),在压力150 Torr时可获得最佳的测量信号,常压下系统对CO_2的最小探测灵敏度为15μL·L~(-1),相应的归一化噪声等效吸收系数为7.33×10~(-9),在150 Torr下最小探测灵敏度为6μL·L~(-1)。     

基于电学调制相消法和高功率蓝光LD的离轴石英增强光声光谱NO2传感器设计和优化

使用中心波长为450 nm的高功率多模蓝光激光管(LD)作为激励光源, 结合电学调制相消法和离轴石英增强光声光谱(QEPAS)配置, 设计了一款高灵敏二氧化氮传感器. 电学调制相消法使离轴QEPAS传感器的背景噪声降低至1/269, 在标准大气压和1 s积分时间下, 获得的探测灵敏度为4.5 ppb, 对应的归一化噪声等效吸收系数(1σ )为2.2×10^-8 cm^-1·W/Hz^1/2. 延长积分时间到46 s, 灵敏度能够进一步下降到0.34 ppb. 气体流速对该传感器的影响也被研究.     

利用石英增强光声光谱技术在2.0μm处实现高灵敏CO_2检测的实验研究

基于石英增强光声光谱技术,以中心波长为2.0μm的窄线宽分布反馈式半导体激光器(DFB)为激励光源,采用波长调制及二次谐波解调技术通过改变激光器工作电流实现波长扫描完成了痕量CO2气体检测系统,并通过优化实验参数确定了常压下激光最佳调制深度,实现了高灵敏CO2浓度的检测。通过改变待测气体中的水汽浓度,研究了水汽对CO2气体探测结果的影响,结果显示在水汽浓度低于0.2%范围内,CO2气体光声信号随H2O浓度的上升而明显增强,当浓度高于此值后,H2O浓度的增加对CO2光声信号的增强作用几乎维持不变。数据显示,常温常压下H2O分子通过提高分子弛豫率最多可将二氧化碳R16吸收线的光声信号幅值提高约2.1倍。优化后的装置可以很好的实现大气中CO2浓度的检测。该装置获得的最小探测灵敏度为19ppm(1σ,300ms积分时间),相应的归一化噪声等效吸收系数为4.71×10-9 cm-1·W·Hz-1/2。     

一种铷原子钟超高信噪比物理系统的研究

在卫星导航、深空探测等尖端技术应用的需求牵引下,谱灯抽运铷原子钟的性能有了很大提升,其短期频率稳定度已达到小系数10^-13τ^-1/2水平.为能进一步提高铷钟稳定度并探索铷钟性能指标极限,本文在前期对物理系统(Φ40微波腔)结构的重新设计及实验验证的基础上,通过对物理系统的光学系统全面优化设计,改善了光谱灯及抽运光的性能,最终使物理系统信噪比获得了明显提升.测试及分析评估结果表明,新设计的物理系统的散粒噪声对铷钟稳定度的贡献为4.2×10^-14τ^-1/2,本文的研究结果为今后铷钟短稳实现5×10^-14τ^-1/2、长稳突破1×10^-15进入～10^-16奠定了基础.     

基于光纤声波传感的超高灵敏度光声光谱微量气体检测

结合光纤声波传感技术、纵向共振式光声探测技术、波长调制技术和二次谐波检测技术,提出了一种基于光纤法布里-珀罗干涉传感器的悬臂梁增强型光声信号检测方法。针对光纤耦合近红外激发光的特点,对共振式光声池进行了优化设计,搭建了一套超高灵敏度的激光光声光谱微量乙炔气体检测系统。实验结果表明,当测量时间为60s时,该系统对乙炔气体的检测极限达到8×10~(-10)。     

基于CEEMDAN的光声光谱CO检测技术

为实现高灵敏度痕量CO气体探测,设计并实现了一种基于光声光谱的CO气体传感器,采用近红外分布反馈式激光器和掺铒光纤放大器作为激励光源系统,结合双通道差分光声池降低系统噪声。用自适应噪声的完备经验模态分解算法结合Savitxky-Golay滤波器对采集的非线性光声信号进行降噪,通过评估降噪后分量与原始信号的相关系数选取有效模态并重构。实验结果表明,室温和常压条件下,积分时间为100 ms,经算法处理,该系统CO检测信噪比提高至原来的4.6倍,最低检测极限降低到2.6×10^-6,且该传感器对气体浓度具有良好的线性响应,验证了该算法在提高光声光谱系统检测性能方面的可行性与有效性。     

基于光路自动准直的甲烷遥测技术

针对目前甲烷遥测装置因光学准直固定,在不同检测环境使用时不能进行动态调整的问题,在光路准直设计中引入了电控可变焦透镜,实现了光路自动准直。测试结果表明,针对不同的检测距离和辅助目标,通过改变电控可变焦透镜的驱动电流可实现快速变焦,在动态调节激光光束发散效果的同时可使遥测装置的接收光功率最大化,其接收光功率相比无变焦透镜接收光功率可提高1.7倍以上,同时可提高检测系统的信噪比。针对变焦透镜在遥测应用中出现的新问题,如重力效应引起的光束偏转效应,提出了形变模型,并进行了理论计算和仿真分析。使用甲烷气袋进行泄漏模拟测试,通过Allan方差分析得到:当积分时间为18 s时,极限标准差达到1.51×10^-6。对装置进行实地测量,测试距离为52.2 m,检测到楼道空气中存在4.95×10^-6浓度(体积分数)的甲烷气体。该研究展示了使用电控可变焦透镜实现光路自动准直和优化在气体泄漏遥测装置中的可行性与应用价值。