一种气体吸收的逐线计算模型及其实验验证

建立一种高分辨率的气体吸收光谱的逐线计算模型,分子谱线参数数据库采用了最新的低温库HITRAN2008和高温库HITEMP2010,能根据温度条件自动选择合适的谱带参数库,并可同时满足高温和常温气体辐射计算。计算波数采用等间隔取样,取样间隔大小以能分辨出典型分子谱线为条件确定。线翼截断采取等波数截断,总内配分函数由Gamache拟合三次多项式计算。谱线线型根据气体温度和压力来选择,最后,利用该模型计算了压力为1atm,不同温度、浓度和路径长度下CO2在4.3μm和2.7μm的透射率。考虑FTIR仪器增宽,将逐线计算结果降为窄带透射率,与中分辨率的试验结果对比均吻合,并能在较宽的温度范围内保证精度。     

太赫兹电磁波大气吸收衰减逐线积分计算

大气对太赫兹辐射传输存在一定的非协作性,即存在吸收衰减。为了实现太赫兹辐射的有效应用必须细致地了解太赫兹辐射大气传输的窗口位置、宽度及大气透过率。选取了处理大气非均匀路径、吸收带重叠等大气辐射传输问题的最精确方法逐线积分法,发展计算程序,并基于HITRAN分子谱线数据,对水汽、氧气、臭氧、氮气、二氧化碳等单组分气体分子对太赫兹辐射传输的吸收衰减情况进行了计算与分析,并给出了在太赫兹电磁波大气传输衰减中占主要因素的水汽和氧气的衰减峰位置。     

太赫兹电磁波大气吸收衰减逐线积分计算

大气对太赫兹辐射传输存在一定的非协作性,即存在吸收衰减。为了实现太赫兹辐射的有效应用必须细致地了解太赫兹辐射大气传输的窗口位置、宽度及大气透过率。选取了处理大气非均匀路径、吸收带重叠等大气辐射传输问题的最精确方法逐线积分法,发展计算程序,并基于HITRAN分子谱线数据,对水汽、氧气、臭氧、氮气、二氧化碳等单组分气体分子对太赫兹辐射传输的吸收衰减情况进行了计算与分析,并给出了在太赫兹电磁波大气传输衰减中占主要因素的水汽和氧气的衰减峰位置。     

一种基于空问外差光谱技术观测的逐线积分水汽浓度反演方法

空间外差光谱技术(SHS)是一种可进行高光谱分辨率探测的光谱分析技术,其灵敏度高,可实现成像探测,特别适用于大气中痕量气体的观测.鉴于此,提出了一种在实验室理想环境下水平观测水汽的逐线积分反演算法.使用Voigt线型函数计算出所选带宽内各吸收线的吸收系数,并将半宽校正剑相应压力水平下;考虑各吸收线的线翼吸收贡献,计算出波段内的平均透过率;结合通过实测光谱得出的透过率推算水汽浓度.应用在1590～1610 cm-1波段内傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)的实测数据计算不同水汽浓度的平均透过率,并与相应的应用Modtran计算的结果相比较,最终验证了算法的可行性.     

物理原理在气体检测中的应用

根据作者近年研制小型瓦斯检测器的情况和查阅到的国内外资料，概述了气体检测技术在经济建设中的重要意义，分析了气体检测中的若干方法及有关的物理原理，介绍了国内外在该领域中新近采用的“光电离”、“光催化”、“激光和微电脑应用”、“电子连续截断法”等物理新技术和新方法。     

基于谱线线型函数的气体浓度检测技术

快速、精确地测量微量气体浓度的技术在大气质量分析、环境污染检测等领域具有广泛的用途。在红外光谱检测技术中,气体吸收光谱的谱线线型函数是定量测量气体浓度的一个重要参量,而如何准确和快速地得到气体谱线线型函数值是气体浓度测量中的一个关键问题。首先从理论上分析了谱线线型函数,得出计算谱线线型函数的一般方法及探讨了气体浓度与谱线线型函数峰值之间的关系。然后,利用可调激光器及光谱仪检测系统测量了乙炔在1 515～1 545 nm波长范围内的吸收光谱,再通过Lambert-Beer定律计算得到在不同频率下的谱线线型函数峰值,最后利用程序拟合出该波段内气体的谱线线型函数峰值分布曲线,并与Voigt线型函数理论计算值进行了比较,发现理论计算的谱线线型函数峰值仍存在一定的偏差。相比理论计算结果,所提出的检测方法得到的乙炔浓度与真实的乙炔浓度值更加吻合,表明了通过实验确定的谱线线型函数的经验公式可以更好地用于气体浓度的检测。由于利用实验测量值获得了谱线线型函数峰值分布的拟合曲线,因此可以快速准确地计算出所对应的谱线线型函数峰值,从而大大地简化了线型函数的计算过程。实验所获得的数据可应用于光学遥测乙炔气体浓度,且提供的方法也可以应用到其他气体的谱线线型函数峰值的测量中。     

基于多参数模型的非分散红外光谱气体检测稳定性方法研究

针对非分散红外光谱传感器零点和温度漂移问题,建立了一种基于零气光强、参考光强、标准温度、环境温度、温度漂移系数等多参数模型,对红外传感器长期连续运行中存在的零点和温度漂移进行自动校正和补偿。测试结果和长时间应用表明,仪器在各种变换的环境条件下检测精度均小于5%F.S。CO₂的平均检测精度从未综合处理前的9.26%提高到了处理后的1.23%,CH₄的平均检测精度从未综合处理前的10.61%提高到了处理后的0.70%,克服了很多气体检测仪存在的稳定性差,标定周期短等不足,有效提高了仪器的检测精度、稳定性,降低了维护成本。     

基于中红外光谱吸收技术的一氧化碳气体检测系统

基于中红外光谱吸收技术,利用一氧化碳(CO)气体分子在4.6 μm处的基频吸收带,采用新脉冲的红外光源和双通道的热释电探测器,研制了一种CO浓度检测系统。该系统主要由脉冲调制式宽带热光源、开放式椭球聚光镜/气室、双通道探测器、主控及信号处理模块构成。通过优化开放式椭球聚光镜/气室,气体吸收光程达到40 cm, 探测器输出电信号的幅度增加约为原来的2~3倍。因此,采用椭球聚光镜后,将在一定程度上提高系统的信噪比从而改善系统的性能指标。利用配备的CO气体样品,研究了该系统对CO气体的传感特性。实验结果显示,该系统的最小检测下限为10 ppm,在该浓度点的测量误差约为14%;在20~25 000 ppm范围内的测量误差小于7.8%;对0 ppm气体样品的连续50分钟测量结果的最大偏差约为3 ppm,标准差约为0.18 ppm。同基于量子级联激光器和分布反馈激光器的CO检测系统相比,该系统具有性价比高、光路结构简单等优势,从而在煤矿、环保等场合下的CO检测方面具有较好应用前景。     

非线性吸收对多组分气体分析的影响及其修正方法

利用非分散红外(NDIR)技术研究了非线性吸收现象对多组分气体分析交叉干扰扣除的影响及其修正方法。理论上推导了由于非线性吸收导致的干扰系数变化对系统测量准确度的影响。对常规的干扰方程组进行了修正,使用干扰函数来定量分析气体间的交叉干扰,当测量气体存在非线性吸收时,干扰函数也会发生相应变化。基于最小二乘法,以三阶多项式为拟合模型,拟合出了系统的干扰函数。利用拟合的干扰函数,通过实验证明了提出的修正方法在系统存在非线性吸收现象时仍能有效地扣除气体间的交叉干扰。     

红外气体检测中谐波信号正交锁相放大器设计与实现

基于可调谐激光光谱吸收法的红外气体检测,为了从差分信号中有效提取出一次和二次谐波信号,研发了一种谐波信号正交锁相放大器.采用正交锁相放大及谐波检测原理,利用Simulink软件平台构建了模拟实验系统,对其功能做了仿真和验证.采用数字信号处理器作为核心控制器,设计并制作出了谐波信号锁相放大器的系统实物,它主要由90°移相器、两路模拟乘法器、两路低通滤波器、差分信号放大器、模数转换器等构成.实验中,首先利用幅度可调的标准正弦信号作为待测信号,对锁相放大器的输出信号幅度与标准正弦信号的幅度做实验测量与对比,二者线性拟合优度高达0.999 94,最大误差小于4%,具有良好线性度;其次,将模拟吸收产生的差分信号作为待测信号,利用基频方波和二倍频方波分别作为参考信号,提取谐波信号,因二次谐波信号微弱易受噪音干扰,其误差在5%以内,一次谐波最大误差小于3.5%.系统具有良好的稳定性和性价比,在红外气体检测中具有较好的应用前景.     

TDLAS痕量气体检测中激光器管壳温度对背景信号的影响

采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术对痕量气体的连续检测,二次谐波背景信号会随着半导体激光器管壳温度变化产生漂移,使得二次谐波波形无法保持稳定,对测量结果产生误差。基于TDLAS原理,解释了二次谐波背景信号的产生,分析了背景信号的来源和背景漂移对测量结果的影响,通过对背景信号的扣除获得标准的二次谐波波形,设计并搭建了一套高精度恒温控制系统,此系统搭载了风冷以及水冷模块进行辅助控温,控制精度达到±0.1 ℃,选取了1 796和1 653 nm波长的DFB半导体激光器,通过控制两只激光器在20～44 ℃温度条件下来回变动,温度间隔为2 ℃,对获得的二次谐波背景信号进行了实验研究。研究表明：随着半导体激光器管壳温度上升,背景信号发生红移,反之发生蓝移;实验中温度每变化2 ℃, 1 796和1 653 nm的DFB激光器的背景信号分别产生了约3.2和2.67 pm波长漂移;通过对半导体激光器进行控温封装,实现对半导体激光器管壳的恒温控制,可以有效地消除室温变化引起的背景信号漂移,维持测量系统的稳定性,提高痕量气体检测的精度和准确度。     

新型环保绝缘气体反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的红外吸收特性及检测技术研究

六氟化硫气体在电力领域的广泛应用带来日益严峻的环保压力,寻求可替代的新型环保绝缘气体已成为化学及电气学科领域研究的热点.反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯[HFO-1336mzz(E)]气体因其优良的环保特性及高介电强度受到国内外的广泛关注.开展光谱吸收特性及检测技术的研究对深化电气性能的研究意义重大.采用自...     

光声光谱技术在多组分气体浓度探测中的应用

CO和CH_4气体作为判断变压器运行状态的故障气体,对其浓度的探测在变压器维护中具有重要意义.为了准确探测变压器运行过程中产生的CH_4和CO气体浓度,本文利用光声光谱技术,设计了一套基于宽带光源的多组分气体探测系统,和共振型光声系统相比,该系统中所用的非共振型光声池体积小,易加工,池内各处信号强度相同,降低了对声学信号探测器的安装要求.系统的性能通过对CO和CH_4气体的探测进行评估.首先,从理论上分析了信号强度与调制频率呈反比,然后根据宽带光声系统在不同调制频率下的响应,确定系统的最佳调制频率为22 Hz.在最佳调制频率下,根据温度与待测气体光声信号的关系,对光声信号进行温度补偿,消除温度变化对光声信号的影响,进一步提高了系统的稳定性.最后,通过不同浓度的CH_4和CO气体对系统进行标定.实验表明,温度补偿前后,光声信号随温度的漂移分别为0.023 23V/℃和8.383 48×10~(-5) V/℃,通过对不同浓度CH_4和CO气体的探测,系统的线性度分别达到0.995和0.998 4.在一个大气压下,积分时间为1s时,宽带光声探测系统对CO和CH_4气体的探测极限浓度能够达到1μL/L.该系统成本低,线性度好,探测灵敏度符合国标对变压器维护过程中CO和CH_4气体的探测要求.     

地面长波红外高光谱成像气体探测研究

报道了地面长波红外遥测的新进展 ,具体阐述了窗扫时空调制傅里叶光谱成像技术的实现过程.演示装置基于角锥反射镜M ichelson干涉具 ,构成了空间调制干涉 ;采用了制冷型长波红外焦平面探测器组件 ,通过对数据立方体的采集、重组、基线校正、切趾、相位校正和傅里叶变换等处理 ,实现了长波红外波段高光谱成像.自研的CHIPED-1长波红外高光谱成像原理实验装置的探测灵敏度指标噪声等效辐射通量密度NESR在单次采样时达到了5.6 × 10-8 W · (cm-1 · sr · cm2 )-1 ,与商品化时间调制干涉高光谱成像仪相当 ;反映了技术的先进性 ,并留有较大的改进空间.通过测试聚丙烯薄膜的透过率曲线 ,CHIPED-1红外高光谱成像原理实验装置的光谱响应范围达到了11. 5 μm.文章还以室外高楼和乙醚气体的探测实验为例 ,研究了二维分布化学气体VOC的高光谱成像探测方法.在复杂背景和低试验浓度情况下 ,从同一波数的红外光谱切片上 ,观察不出乙醚蒸气的存在 ,但是进行了差谱处理后 ,可以清楚看到乙醚蒸气的空间分布.高光谱方法应用在有机蒸气VOC的红外探测领域 ,相对于宽波段热成像方法 ,具有灵敏度高、抗干扰能力强和识别种类多等诸多优势.     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪狭缝函数研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪是一种新型光学遥感仪器,具有分辨率高(0.3～0.5 nm)、宽光谱范围(240～710 nm)、大视场角(114°视场对应地面2 600 km)的特点,载荷采用推扫方式,可实现1日全球覆盖监测。载荷通过探测地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光,利用差分吸收光谱技术来获取全球大气痕量气体(NO₂, SO₂, O₃等)分布和变化。定标是遥感数据定量应用的前提,同时为获取载荷光谱特性,需要在地面完成载荷的光谱定标。根据大气痕量气体差分吸收光谱仪视场角度大、谱段范围宽、空间和光谱分辨率高等特点,搭建了一套基于二维转台的光谱定标系统,此系统能够完成全视场光谱定标。光谱定标采用标准谱线法,光谱定标光源使用汞灯。光谱响应函数是描述光谱仪光谱响应特性的重要参数,根据光谱响应函数可以获取载荷的光谱分辨率,同时也是基于DOAS反演的关键输入参数,光谱响应函数的精度直接影响大气痕量气体的反演结果。根据载荷实际测试的光谱响应数据,选取了Gauss,Lorentz和Voigt三种函数作为待选的光谱响应函数。为对三种函数模型进行筛选,进行了两种筛选对比测试,首先分别用Gauss函数、Lorentz函数、Voigt函数对载荷的单色光响应数据进行拟合,以三种函数的拟合残差平方和作为评判标准,拟合结果表明Gauss函数作为狭缝函数拟合的残差平方和最小为0.01,Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数拟合的残差平方和分别为0.033和0.021。从载荷单色光响应数据函数拟合的结果分析,Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型。为了进一步验证这一结论,进行了DOAS反演NO₂样气的实验,考察三种函数模型对反演的影响。在实验室开展了NO₂样气测试,大气散射光通过30*40cm的石英窗口入射到载荷狭缝,将NO₂样品池放置在载荷狭缝和石英窗口中间,获取的数据为NO₂样气吸收谱,随后充入N₂气体获取反演的参考谱,实验在晴朗天气下进行,并能够在较短时间内完成,可以减少外界天气条件对反演结果的影响。实验中NO₂样气浓度为8.481 2×1016 molec·cm-2,在利用DOAS进行反演时,设置仪器狭缝函数分别为Gauss,Lorentz和Voigt函数,分析三组不同的函数模型对应的NO₂浓度结果,根据反演结果的相对偏差对函数模型进行评价。实验结果表明Gauss函数作为狭缝函数反演结果的相对偏差最小为5.6%,Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数的反演相对偏差分别为28%和15.1%。由光谱响应数据的拟合结果及样气反演结果表明,Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型。     

Application of Free Carrier Absorption for Far-Infrared Detection

Far-infrared (FIR) free-carrier absorption characteristics for epitaxially grown p-type Si and GaAs thin films over a range of carrier concentrations have been investigated, both experimentally and theoretically, and employed to analyze the experimental results of FIR detection. The free-hole absorption is found to be almost independent of the wavelength and a linear regression relationship between the absorption coefficient and the carrier concentration has been obtained, which can be applied to well explain the behavior of GaAs FIR detectors with different number of layers, different applied biases, as well as different layer concentrations.     

基于石英增强光声光谱的痕量气体实时检测研究

石英增强光声光谱技术(QEPAS)出现时间较晚,是一种较为新颖的痕量气体探测手段,本文以大气中的水汽作为测量目标,开展对基于QEPAS技术的痕量气体探测系统的研究。理论上,首先对激光器波长调制及信号谐波探测的原理进行了分析,得到了可用于气体浓度信号反演及激光器波长锁定的实现方案,并讨论了可用于高灵敏度气体探测的吸收谱线的选择原则。实验中,以输出波长为1.39 μm的连续波分布反馈单纵模二极管激光器作为激发光源,采用激光器波长调制和2次谐波探测技术,首先研究了激光波长调制深度对QEPAS系统产生的信号幅度的影响,接下来对声波探测系统中微共振腔强声波增强特性进行了研究。QEPAS系统经过优化后,获得了5.9 ppm的探测极限,同时对不同浓度的水汽进行了测量,实验数据线性拟合后,得到R-Square为0.98,证明了此QEPAS系统具有良好的线性响应度。最后,运用基于3次谐波探测的激光器波长锁定技术,对大气中的水汽变化进行了长达12 h的连续测量,实验结果表明,该系统性能稳定,具有良好的连续测量能力,可广泛应用于其他痕量气体的高灵敏度连续在线测量的研究上。     

从环境样品中分离氩气和氪气用于放射性惰性气体探测

放射性惰性气体同位素⁸⁵Kr(半衰期为10.8年)、³⁹Ar(半衰期为269年)和⁸¹Kr(半衰期为22.9万年)是理想的环境示踪剂,基于激光技术的原子阱痕量分析方法(Atom trap trace analysis, ATTA)可以实现对空气、地下水等环境样品中这几种同位素的有效探测. 在进行ATTA测量之前,需要将样品中的氪气和氩气有效分离出来. 利用低温蒸馏、海绵钛化学吸附和气相色谱分离等技术,可以从1~10 L气体样品中分别提取出90%以上的氪气和98%以上的氩气,从而满足ATTA测量的样品要求. 通过对包括两个野外地下水样品等一系列样品进行分离实验,验证了气体分离装置的可靠性能.     

基于红外技术的气体浓度检测方法研究

依据Lambert-Beer定律,推导出检测气体浓度的数学模型,得出了测量和参考探测器输出电压与气体浓度的函数表达式,表达式中的二个常数的数值取决于气室长度、气体吸收系数、探测器的电压探测率,经零点和满量程标准气样的标定,可确定这二个常数的数值,实现对仪器的标定.根据仪器零点随温度变化的关系,得到零点与温度函数表达式,用于零点温度补偿以及对零点温度补偿系数的计算;量程温度补偿方法是通过引入量程温度补偿因子,对测量和参考探测器输出电压与气体浓度的函数表达式进行修正,修正后的函数表达式用于量程温度补偿,也能对量程温度补偿因子中的补偿系数进行计算.矿用红外甲烷传感器采用本文的标定方法和温度补偿方法,在不同的环境温度下,对标准气样进行检测,其检测结果符合红外甲烷传感器标准所规定的基本误差.