基于TDLAS检测西林瓶内氧气浓度的多光束干涉抑制方法

应用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术开放单光路短光程检测西林瓶内氧气浓度,因玻璃瓶壁造成入射光多次反射和透射,形成多光束干涉,严重影响信号波形和检测精度。本文提出了一种改变激光入射角度来抑制瓶壁光学干扰的方法,理论分析了入射角度对透射光强分布的影响,详细推导了使两相干光束叠加部分在接收端探测范围之外的入射角度计算公式,并根据现场参数得到理论最佳入射角度。对氧气浓度1%的样瓶进行多次测量,将二次谐波信号峰值的平均值作为信号,峰值的标准差作为噪声,以信噪比(signal to noise radio, SNR)最大作为系统入射角角度的优化指标,实验获得系统的实际最佳入射角度。与决定系数较高的入射角度进行浓度预测对比,交互验证后的最小二乘拟合结果显示：相关系数分别为0.995 9和0.988 9,前者相比后者提高了0.7%,预测的均方根误差(root mean square errors of prediction, RMSEP)分别是0.003 1和0.005 3,前者相比后者降低了41.5%,说明本文方法所确定的最佳入射角,能有效抑制玻璃瓶壁引起的多光束干涉影响,改善系统检测精度。     

非标定波长调制吸收光谱气体测量研究

为消除可调谐激光调制吸收光谱气体测量技术对于标定过程的依赖,研究了二次谐波信号的非标定波长调制气体测量方法.通过对测量的二次谐波线型进行分析,给出相同工况下二次谐波模拟信号,并利用测量与模拟二次谐波信号进行线性拟合直接计算气体浓度.实验室内采用非标定波长调制气体测量方法,利用 6336.24 cm^-1处特征吸收谱线对10 cm长气体吸收池内的CO₂进行了测量.结果表明,非标定波长调制气体测量方法可适应各种不同条件,适合于现场气体在线测量.当调制系数在1.8—3. 关键词： 波长调制 二次谐波 吸收光谱 半导体激光器     

基于波长调制的离轴积分腔输出光谱技术EI北大核心CSCD

介绍了基于波长调制的离轴积分腔输出光谱(WM-OA-ICOS)技术的实验装置。使用1.392μm的分布反馈式(DFB)激光器作为光源,以反射率为99.8%、相距60cm的两片镜片组成的谐振腔为气体吸收池,选择7185.87cm^(-1)的CH_4吸收谱线,对不同浓度的CH_4气体进行探测。通过优化压力、调制频率、相位和振幅等参数,并结合Allan方差,得出系统的稳定时间为203s。实验选取100s的测量时间,得出CH_4气体的探测极限为8.7×10^(-7),相应的最小的可探测吸收为2.2×10^(-6) Hz^(-1/2)。相对于离轴积分腔输出光谱技术,WM-OA-ICOS技术的灵敏度约提高了21倍。采用二次谐波峰值高度(2f)以及二次谐波峰值高度与一次谐波中值之比(2f/1f)两种方法测量CH_4气体浓度,结果发现,2f/1f方法的稳定性更好,线性度更高。     

可调谐二极管激光吸收光谱二次谐波检测方法的研究

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)是利用二极管激光器的波长扫描和电流调谐特性来实现痕量气体吸收曲线二次谐波检测的一种新技术,具有高灵敏、高选择性、高精度等特点。理论分析和实验结果表明:利用二次谐波检测到的信号特征除了与被测气体的吸收特征有关外,还与波长扫描参数和电流调制参数有密切的关系。通过研究不同波长的扫描参数和在功率调制参数下的二次谐波曲线,分析了它们的波形特征和稳定性,以便寻求最佳的波长扫描参数和功率调制参数,从而使二次谐波曲线的稳定性和形状达到最佳。     

基于多模二极管激光吸收光谱的氧气浓度测量

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)具有高灵敏度、高选择性和快速响应等特点, 被广泛应用于环境监测、工业生产监控和生物医疗等众多领域。为克服传统TDLAS技术成本高以及长时间工作过程中由于中心波长偏移造成的稳定性差等问题, 提出了利用多模二极管激光关联光谱和谐波检测技术实现氧气浓度在线监测的研究。以Fabry-Perot(FP)激光器为光源, 通过对760 nm附近氧气分子的多条吸收谱线的探测, 实现了对氧气浓度的测量。输出光束被分光系统分成两路信号, 分别经过样品池和测量池, 双路接收采集含有气体浓度信息的光信号送后级处理, 通过测量信号和参考信号之间的相关性及比例关系对氧气浓度进行反演, 其中关联光谱技术和谐波检测技术被用于提高系统稳定性和信噪比。结果表明, 在1个大气压条件下, 系统的探测极限为280 ppm·m, 对同一样品在30 min内的30次连续测量的标准偏差为0.056%, 表明了系统良好的稳定性。该系统在软、硬件上的设计可以满足氧气的在线监测, 且系统稳定性高、装置简单、易用, 便于复杂环境应用。     

基于多模二极管激光吸收光谱的氧气浓度测量

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)具有高灵敏度、高选择性和快速响应等特点,被广泛应用于环境监测、工业生产监控和生物医疗等众多领域。为克服传统TDLAS技术成本高以及长时间工作过程中由于中心波长偏移造成的稳定性差等问题,提出了利用多模二极管激光关联光谱和谐波检测技术实现氧气浓度在线监测的研究。以Fabry-Perot(FP)激光器为光源,通过对760 nm附近氧气分子的多条吸收谱线的探测,实现了对氧气浓度的测量。输出光束被分光系统分成两路信号,分别经过样品池和测量池,双路接收采集含有气体浓度信息的光信号送后级处理,通过测量信号和参考信号之间的相关性及比例关系对氧气浓度进行反演,其中关联光谱技术和谐波检测技术被用于提高系统稳定性和信噪比。结果表明,在1个大气压条件下,系统的探测极限为280 ppm·m,对同一样品在30 min内的30次连续测量的标准偏差为0.056%,表明了系统良好的稳定性。该系统在软、硬件上的设计可以满足氧气的在线监测,且系统稳定性高、装置简单、易用,便于复杂环境应用。     

非正弦波长调制的洛伦兹线型的傅里叶分析

在各种波长调制光谱理论中,波长调制函数的形式一般是随时间变化的正弦函数,而在实际应用中,标准的正弦函数信号容易混入高次谐频而失真,从而给系统引入误差。理论研究了当正弦波长调制函数中混入二倍频项时洛伦兹线型的傅里叶级数,推导了该条件下洛伦兹线型的N阶傅里叶系数的表达式。表达式中引入了谐波失真度参数K以表示二次倍频分量与基频的比值,并针对K0.01与K0.01情况分别作了数值仿真,仿真结果表明:当K小于0.01时,正弦调制函数的谐波失真带来的影响可以忽略,当K接近或高于0.1时,则会导致洛伦兹线型傅里叶级数幅度曲线中心点偏离原点,并且谐波曲线的阶次越高,或谐波失真度越大,曲线的偏离程度越严重。另外,仿真了在K大于0.01时,不同的调制度对奇数和偶数阶谐波幅度曲线的影响,结果表明存在一个最佳的调制度可以使谐波失真对正弦波长调制的影响最小。结果有利于加深对波长调制光谱的认识,对激光稳频技术也有重要的参考作用。     

SG-DBR半导体激光器的光谱技术研究

可调谐半导体激光吸收光谱作为一种高灵敏度、高选择性、非侵入的痕量气体实时检测技术,已在大气监测、工业控制等方面得到广泛应用。采用一种新型宽带可调谐的SG-DBR半导体激光器(可调谐范围1 520~1 570 nm)作光源,并通过自编程序对该激光器设定了18个通道,输出波长分别对应CO,CO₂以及H₂O的吸收谱线中心位置,设计和构建了一个基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱的多组分气体光谱测量系统,描述了相关的光学系统设置,结合波长调制(wm)的二次谐波技术测量其中14个通道(分别对应CO和CO₂的吸收谱线)的吸收光谱,系统获得的CO和CO₂峰值吸收探测极限能够达到10-5。实验结果验证了SG-DBR激光器在波长调制吸收光谱多组分气体检测领域的可行性。在实际应用过程中使用单个SG-DBR激光器可以实现多组分气体的同时测量,有效降低设备成本和系统复杂性。     

封装西林药瓶残留氧气检测中的谐波基线校正和去噪方法

可调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术的成熟和快速非接触气体浓度测量的优点,十分适合用于对封装西林药瓶内残留氧气进行浓度检测。采用TDLAS技术对封装西林药瓶内残留氧气进行浓度检测,检测系统的光路经过空气和玻璃药瓶,玻璃瓶壁对激光的散射和衰减是检测系统的主要干扰,给二次谐波信号的稳定性带来了很大影响。设计和搭建了基于TDLAS的封装西林药瓶残氧量检测系统。针对从系统中提取出的二次谐波信号,提出了一种基于小波变换的基线消除和噪声滤除方法, 解决在残留氧气浓度检测过程中基线漂移和噪声干扰问题,克服玻璃瓶壁对二次谐波信号的干扰,效果明显。选用“sym6”小波,将实验测得的信号进行五层小波分解,根据每一层小波分解得到的低频分量求出相应的基线斜率,对五个基线斜率进行加权平均得到原始信号的基线斜率。由求得的基线斜率,对原始信号经过去基线处理,再进行小波分解和软阈值处理后得到重构信号。对氧气浓度为21%的西林瓶的测量结果表明,处理后谐波信号和理论信号之间的相对误差由处理前的1.26%下降到了0.12%,证明了此方法可以很好地解决在残留氧气浓度检测过程中基线漂移和噪声干扰问题,克服玻璃瓶壁对二次谐波信号的干扰,为氧气浓度测量提供很高质量的信号。     

基于二次-四次谐波联用的免标定波长调制激光吸收光谱方法

可调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术因其高灵敏度、高选择性和快速响应的特点,被广泛应用于痕量气体的检测与燃烧诊断研究。基于谐波检测的波长调制光谱(WMS)方法具有高信噪比的优势,是最常用的TDLAS气体传感方法之一。近年来,为了扩展WMS方法的适用范围,减小光谱参数标定误差,针对WMS方法免标定策略的研究逐渐成为热点。传统的免标定WMS方法一般需要根据光谱数据库并结合激光调制参数进行复杂的吸收光谱模拟,对先验光谱参数的准确度和硬件参数提出了很高的要求。针对以上问题,提出了一种基于二次-四次谐波联用的免标定波长调制激光吸收光谱方法,可以实现气体参数的快速、精确测量。与传统免标定WMS方法相比,新方法有以下特点和优势：(1)新方法基于Voigt线型导出,可以适应于任意展宽条件下的测量;(2)新方法只需要利用二次谐波和四次谐波中心峰高参数的代数计算即可获得吸收谱线展宽、积分吸收面积等关键光谱参数,进而实现浓度、温度等气体参数的测量;(3)新方法不需要进行运算量较大的谐波拟合以及高次谐波计算,降低了对硬件系统的要求;(4)因为不需要扫描完整的吸收谱线形状,解决了传统方法在高温高压下由于吸...     

准连续调制激光吸收谱测量封闭室内O2浓度的研究

在开采煤矿的生产活动中,遇到煤矿爆炸或地震、地质等自然灾害,会导致坍塌、掩埋、堆积等情形,进而形成复杂的封闭环境。如果发生人员被困等突发情况,破灾救援、挽救生命工作显得至关重要。封闭环境中O₂的浓度随时间的变化直接威胁到被困人员的生命安全,及时掌握被困人员所处环境的O₂浓度变化对破灾救援机器人作业实施有着非常重要的指导意义。为准确测量O₂的浓度,以封闭室内O₂为研究对象,综合应用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术和波长调制光谱(WMS)技术,设计了一套准连续调制激光吸收谱实验测量O₂浓度系统,对24 h封闭室内O₂的浓度随时间变化情况进行测量研究。实验结果表明,封闭室内O₂的浓度受到室内人员活动的影响,准连续调制激光吸收谱测量方法可以准确测量封闭室内的氧气变化。     

连续和准连续调制激光吸收光谱的软件锁相解调比较研究

根据对激光器施加的调制信号是否连续,波长调制光谱分为连续和准连续调制激光吸收光谱技术。为了深入的比较研究这两种方案,设计准连续调制谱专用的软件锁相放大器,将准连续调制信号因间断产生的无效信号滤除后,再对吸收信号解调得到二次谐波信号。与连续激光调制谱软件解调的二次谐波信号进行了比较,结果表明,参数相同,准连续调制谱比连续调制谱的信噪比提高5%、检测限降低11.3%。在滤除无效信号后,准连续调制谱也可以解调出标准的二次谐波信号,因此有望用于与气体线型相关的研究中。该工作为选取更加适用的激光调制谱技术,提供了准确依据。     

基于可调谐光纤激光器的C2H2气体光声光谱检测

研制了基于可调谐掺Er光纤激光器的共振式光声光谱乙炔气体检测系统,结合波长调制和锁相放大器的二次谐波信号检测技术,有效地消除了光声池窗片和池壁吸收入射光而引起的背景噪声,通过对该系统的光学、声学和电子检测系统的优化,实现了低浓度乙炔气体的流动式检测.实验结果证明,当气体浓度较低时,二次谐波振幅与气体浓度成正比,其线性响应相关度达到0.999 53.在常温常压和3.5 mW平均光功率以及100 ms锁相积分时间条件下,乙炔气体的极限检测灵敏度达到了0.3 ppm(1 ppm=1μg·mL-1)(SNR=1时),系统用可调谐掺Er光纤激光器代替半导体激光器作光源,降低了成本,为发展低成本、实用、便携式微量气体光谱榆测仪器奠定了基础.若采用多光程光声池,或者采用EDFA提高激光功率,可大幅度提高信噪比,将极限检测灵敏度提高至ppb(1 ppb=1 ng·mL-1)量级.     

Carbon Dioxide Measurement Based on Multimode Diode Laser Correlation Spectroscopy Employing Wavelength Modulation Techniques

The use of a tunable multimode diode laser system based on correlation spectroscopy and wavelength modulation spectroscopy to measure the concentration of the carbon dioxide in ambient air through the 2 υ₁ + 2υ₂ + υ₃ absorption lines around 1570 nm is reported. The carbon dioxide concentrations are derived from the relationship between the normalized second-harmonic signal peak heights of the measurement and reference signals. The validation of the system is conducted by a set of experiments with controlled carbon dioxide and nitrogen mixtures. The correlation and standard deviation between the measured and actual carbon dioxide concentrations are 0.9973 and 4.03%, respectively, over the tested range. A detection limit of 340 ppm m was achieved using 30 successive measurements during 30 min. All these results demonstrated potential utility of the system for carbon dioxide sensing.     

波长调制吸收光谱技术的燃气轮机燃烧室温度组分二维分布测量方法

可调半导体激光光谱技术(TDLAS)可实现温度、组分浓度等多参数同时测量,具有体积小、响应速度快、环境适应性高等优点,逐渐成为燃烧流场诊断的主要手段之一.TDLAS光谱测量常采用直接吸收技术和波长调制技术,其中强度归一化的波长调制技术,适合存在振动、湍流等致光束偏转效应和强辐射本底等恶劣应用环境条件的燃气轮机流场参数测...     

Recent Developments in Modulation Spectroscopy for Trace Gas Detection Using Tunable Diode Lasers

Abstract

The need for higher sensitive detection technology for trace gas samples, either in the laboratory setup or in the atmospheric remote sensing has been a goal for several decades. The development of the tunable diode laser has propelled the progress of trace detection technology, and modulation technology enables the improvement of the detection sensitivity. As a result, the detection of 10^?7 or 10^?8 absorbance is possible for some applications, and modulation technology has been applied to the ultraviolet as well as mid-infra red wavelength range. In this review, recent progress of tunable diode lasers and diode laser-based modulation technologies are presented. Wavelength modulation, frequency modulation, and two-tone frequency modulation techniques are mainly described along with the actual application of the techniques. In addition, the state-of-the-art of diode laser development which can be adopted for the trace detection is presented.     

低频波长调制光谱的理论与实验研究

通过调制半导体激光外腔压电陶瓷的电压实现低频波长调制 ,并慢扫描激光器的波长 ,测量了CS 原子D2线 [6S1 2 (F =4)→ 6P3 2 ]的吸收光谱 ,利用锁相放大器处理了二次、四次、六次谐波信号 ,实验结果与理论分析相吻合 ,在实验过程中还发现高次谐波探测可以有效地提高探测信号的信噪比     

基于可调谐二极管激光吸收光谱遥测CH4浓度

文章对可调谐二极管激光的直接吸收和波长调制光谱进行了理论分析,设计了一套用于研究甲烷吸收特性的测量系统.近红外二极管激光工作在室温下,选用波长为1.65 μm,利用甲烷的2v3带R(3)线实现对甲烷气体的吸收测量,对测量的信噪比和系统的基本噪声源进行了分析,为实现甲烷浓度的在线遥测打下基础.