结合环境参数修正的高温气体光谱检测系统设计

随着工业化进程加快,大气污染监控已受到广泛关注,为实现工业过程痕量气体浓度的准确监测,采用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)搭建了气体浓度在线监测系统,并以LabVIEW为软件开发平台完成了可视化界面。重点设计了数据处理功能及浓度反演算法,通过同步获取的环境压力参数对特征吸收光谱的有效拟合范围进行修正,提高吸光度信号的准确性,再通过读取的环境温度参数修正气体吸收线强以获得精确的浓度结果。将该系统应用于高温氨浓度在线测量实验中,获得高温不同压力下的氨气浓度测量结果。实验结果表明,在500 K温度下,不经过压力、温度参数修正的最大氨浓度反演偏差为18.81%,通过参数判断后再进行光谱提取和修正,得到浓度最大偏差为3.96%。该系统能够准确反演不同环境参数(压力、温度)下的气体浓度,实现了工业高温现场气体的实时、精确在线测量。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体浓度测量温度影响修正方法研究

可调谐二极管激光吸收光谱技术测量气体浓度时,由于测量氛围温度变化的影响引起解调的二次谐波信号发生变化,最终导致浓度测量的较大误差. 为了修正温度变化对浓度反演结果的影响,适应工业测量、燃烧诊断的需要,采用通过实验所得温度关系的数值拟合修正方法即经验公式修正和根据HITRAN数据库参数的理论关系即理论公式修正两种方法进行分析与讨论. 实验中采用在50 cm长的高温管式炉中通入高温安全的21%浓度的 氧气为目标测定气体,选定760.77 nm的中心吸收波长,测量了温度变化范围为300–900 K,间隔50 K的情况下所得到的谐波信号,并利用一次谐波比值消元法消除光强波动影响后的结果,得出了不同温度下未修正的原始浓度值和通过修正方法后的修正值. 实验结果表明所述的经验公式和理论公式两种修正方法对温度影响都有一定的抑制作用,可以应用到温度变化引起的气体浓度误差修正监测中,为下一步开展燃烧诊断实时在线监测提供了依据. 关键词： 可调谐二极管激光吸收光谱 (TDLAS) 温度修正 经验公式 理论公式     

基于激光技术结合温度修正的高温HF气体检测方法研究

氟化氢(HF)是变电站气体绝缘开关进行故障诊断的重要特征气体之一,因此HF气体的高测量精度,快速响应,实时在线检测的方法是工业和环境领域的研究重点之一。结合激光吸收光谱技术和蒙乃尔钢材加工的耐腐蚀多次反射池搭建HF检测实验系统;分析了HF气体在不同温度下的激光吸收光谱特性,根据HITRAN数据库的HF气体配分函数系数得到配分函数曲线和吸收线强曲线;在研究工作中重点设计了结合激光光谱解析和温度参数修正的浓度反演算法以实现气体浓度的准确检测;结合多次反射吸收池的温度特性利用不同浓度配比的HF样气得到连续实验结果。多次反射池加热后并稳定工作在313和323 K时,温度修正前浓度反演的最大相对误差分别为5.33%和5.87%,温度修正后浓度反演的最大相对误差分别为1.20%和1.47%。通过连续检测和计算,系统在323K时HF检出限为8.7×10-5 mmol·mol-1,高于290K时的检出限6.3×10-5 mmol·mol-1(20 m光程)。尽管高温环境下温度修正后的检测误差大于室温情况,但是同一高温下温度修正后的检测误差仍低于未经过温度修正的值。通过该研究证明了本浓度反演算法工作稳定、可靠,可以满足化工生产现场HF实时监测的需求,对于我国工业HF气体的安全排放监管和环境保护起有效的技术支持。     

可调谐二极管激光吸收光谱法测量气体温度

研究了一种新型的非接触式测温技术——可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)测温技术。介绍了温度测量及调制吸收光谱技术原理,分析了调制幅度对气体温度测量的影响。优选了氧气吸收谱线对13163.78 cm-1和13164.18 cm-1,在搭建的高温实验系统上,实现了气体温度和浓度的同时测量。通过分析实测波形获得了谱线13164.18 cm-1在823~1323 K温度范围内的碰撞展宽系数和温度指数。实验结果表明,在823~1323 K温度范围内,系统温度测量的线性误差为0.65%,最大波动为±15 K。     

甲醛浓度的激光拉曼光谱检测研究

为了对甲醛的浓度进行快速、准确的测定,研究了甲醛的激光拉曼光谱激发机理,并对采集的标本进行了检测,并对结果进行了分析和论证。该方法不需辅助试剂,直接测量甲醛分子振动产生的拉曼光谱,根据甲醛特征谱的峰值,确定甲醛的浓度。得到一种低成本、快捷的甲醛浓度检测方法。     

近红外光谱温度修正定量分析模型的研究

以小麦粉末样品为实验材料,研究了环境温度对近红外光谱定量分析结果的影响。将环境温度作为外部变量,使用不同温度下的45个样品建立了测定小麦蛋白质含量的温度修正模型,预测不同温度下的小麦样品的蛋白质含量,结果同以22 ℃恒温下45个样品建立的模型进行了比较。分析结果表明：温度修正模型的预测标准差(SEP)平均为0.333,而恒温模型(22 ℃)的预测标准差随着环境温度与建模时温度差的增大而增大,当环境温度4 ℃时,SEP=0.601 6。温度修正模型可以有效的提高近红外光谱定量分析精度。     

调制噪声下激光检测气体吸收光谱信号处理研究

为减小调制噪声背景的干扰,提出了直接吸收光谱激光检测气体浓度反演的三级卷积降噪信号处理方法.以谱线6 612.939cm-1附近氨气分子吸收为例,分析了该降噪方法对氨气浓度反演的有效性.实验结果表明,经三级卷积降噪后的氨气原始吸收谱线信号整体均方根误差由初始8.53降至1.01,基线扣除归一化得到的氨气光谱吸收率谱线信噪比提高3.3倍;连续5次测量浓度5%标准氨气,反演浓度值平均偏差为0.0743%,相对标准偏差为1.4%,优于原始吸收谱线信号的小波降噪和不降噪处理反演值.采用三级卷积降噪方法预处理原始吸收谱线信号,提高了气体浓度反演精度,可为工业过程高浓度气体激光在线检测提供参考.     

激光吸收光谱气体检测中的干扰因素分析和温度校正方法研究

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)是一种非侵入式光谱检测技术,具有高选择性、高响应性和高分辨率等特点。根据分子光谱吸收原理,被检测气体所处环境温度的改变会引起分子吸收谱线强度的变化,进而影响气体浓度反演的准确性。为提高气体在高温背景下浓度测量的准确性和真实性,选取工业过程常见的一氧化碳(CO)为目标气体,设计了基于波长调制技术多温度梯度(室温14～1 100℃)的气体吸收光谱检测实验,与HITRAN数据库中光谱参数进行对比,并对结果进行校正和分析。同时,以探测信号有效扫描区域的线性度、标准差和残差平方和等参数为依据,分析了不同材质的窗片对高温实验的影响,通过升降温实验数据的分析,选择了降温梯度测量作为高温实验的最佳控温顺序。经过对标准浓度的CO进行高温实验,发现随着温度的升高,二次谐波(2f)幅值和吸收线强有相一致的下降趋势,符合理论公式的变化规律。经过分析校正后的2f幅值和温度呈现非相关性,实现了热背景下光谱检测的校正,验证了变温时2f幅值校正的准确性。该研究为光谱检测技术在高温背景下实际应用提供了一定的参考,尤其是对高精度工业炉内气体燃烧效率的动态评估具有极其重要的意义。     

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。     

激光诱导击穿光谱技术在气体检测中的研究综述

随着工业技术的发展,气体检测领域对在线检测仪器及检测技术的要求越来越高,气体成分在气体流动时会发生复杂变化,通常的检测手段傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)、光腔衰荡技术(CRDS)、电化学传感等往往不能满足检测要求或仅对局部区域检测.激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种新兴的原子发射光谱分析技术,得到光谱分析领域研究...     

基于超窄线宽激光的一氧化碳多参数检测研究

基于超窄线宽激光特性和激光器波长扫描技术,通过对一氧化碳气体近红外吸收光谱的测量及分析,设计了一氧化碳气体多参数实时在线检测系统.系统采用超窄线宽可调谐半导体激光器作为光源,利用气体直接吸收光谱测温法,实现了一氧化碳气体温度实时检测.根据所测温度值并结合气体浓度差分检测原理,实现了一氧化碳气体温度和浓度同时测量.利用超...     

基于激光吸收光谱技术的燃烧场气体温度和浓度二维分布重建研究

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术和代数迭代算法（ART）实现燃烧场温度和浓度二维分布重建．采用时分复用技术,在1kHz扫描频率下分别扫描H2O的两条吸收谱线,7205．25和7416．05cm^-1,对温度分布在300-1100K范围内的气体温度场进行了重建．研究了投影角度和投影光线数目对温度场和浓度场重建结果的影响,并将温度场重建结果与热电偶测量结果进行比较,结果表明,采用四个投影方向时,温度场重建结果与热电偶测量结果除中心低温区域外基本符合．当光线数目减少时,通过在两条光线间增加虚拟光线,代入到迭代算法中,增加光线数目,提高了温度场和浓度场的重建效果．但此方法受到燃烧场温度梯度大小的影响,即在两条光线之间气体温度梯度较大,增加虚拟光线提高温度场重建效果不明显．     

基于激光半主动的弹道修正系统修正能力的研究

弹道修正技术是为了解决射程与精度的矛盾而采用的一种有效方法。激光半主动弹道修正是采用激光半主动检测落点误差,通过对鸭舵进行弹道修正来提高打击精度的。分析了激光半主动弹道修正系统的工作原理和尾翼式微旋火箭弹鸭舵执行机构控制力,建立了尾翼式微旋火箭弹的刚体弹道,在最大周期平均控制力下持续对由弹道修正的弹道修正能力进行了仿真,得到不同启控时间的弹道修正能力。为激光目标指示器、探测器、鸭舵执行机构协调设计提供了理论依据。     

光谱校正技术在皮肤晚期糖基化终末产物检测中的应用

利用近紫外荧光光谱测量了人体皮肤组织晚期糖基化终末产物,并针对由被测皮肤组织吸收和散射引起的光谱畸变问题,重点研究了自体荧光光谱校正技术在荧光无创检测中的应用。采用波长为370nm的单色光照射人体手臂内侧皮肤,用光纤探头收集自体荧光光谱。在同一测试位置对荧光波段进行光谱扫描,得到皮肤组织反射率曲线。通过利用皮肤反射率曲线校正相应自体荧光光谱来获得固有荧光光谱。分别对糖尿病患者和健康对照组进行光谱检测和光谱校正,分析比较不同测试对象的校正结果。实验结果表明,光谱校正技术剔除了不同测试对象的皮肤差异对自体荧光光谱的影响,获得的固有荧光光谱能够作为区分糖尿病患者和健康对照组的依据。     

基于Labview的激光多普勒测速仪的频谱校正

在激光多普勒测速仪中,为了减小由信号处理算法带来的测量误差,提出运用频谱校正算法对多普勒信号的频谱进行校正,详细阐述了能量重心法、比值法和相位差法3种离散频谱校正算法的基本原理,运用这3种算法对理想正弦信号进行仿真,并运用比值法对信号施加不同频率和信噪比的噪音下的正弦信号和实测的多普勒信号进行仿真及实验研究。结果表明:3种算法都可以使信号的频率更接近于真实值,其中能量重心法校正精度相对较低,比值法和相位差法精度较高,尤其是比值校正算法处理速度更快,校正的精度基本不受信噪比的影响。将比值法运用于激光多普勒测速系统,与光接收计数法测量结果进行比较,结果显示:校正后比较正前激光多普勒测速仪测量相对精度提高了2～3倍。     

基于Labview的激光多普勒测速仪的频谱校正

在激光多普勒测速仪中,为了减小由信号处理算法带来的测量误差,提出运用频谱校正算法对多普勒信号的频谱进行校正,详细阐述了能量重心法、比值法和相位差法3种离散频谱校正算法的基本原理,运用这3种算法对理想正弦信号进行仿真,并运用比值法对信号施加不同频率和信噪比的噪音下的正弦信号和实测的多普勒信号进行仿真及实验研究。结果表明：3种算法都可以使信号的频率更接近于真实值,其中能量重心法校正精度相对较低,比值法和相位差法精度较高,尤其是比值校正算法处理速度更快,校正的精度基本不受信噪比的影响。将比值法运用于激光多普勒测速系统,与光接收计数法测量结果进行比较,结果显示：校正后比较正前激光多普勒测速仪测量相对精度提高了2～3倍。     

基于发射光谱的DF激光器光腔温度与粒子数分布

建立了谱线增益系数与温度、粒子数分布之间及谱线增益系数与谱线强度之间的关系式,对一台燃烧驱动DF激光器的发射光谱进行了测量,利用发射光谱数据计算得到光腔温度为381.4 K,分布在振动态能级1与0,振动能级2与1,振动能级3与2的粒子数之比分别为0.60～0.62, 0.676 4, 0.71～0.74。     

基于TDLAS技术的水汽低温吸收光谱参数测量

精确的气体光谱参数对气体浓度、温度等的光谱精确反演测量具有十分重要的意义,针对当前主流光谱数据库(例如HITRAN)中数据与实际数值存在相当误差的问题,自主研制了一套基于静态冷却技术的低温光谱实验平台,用于精确测量低温下的气体吸收光谱参数.运用该低温光谱实验平台,采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术测量了温度为230—340 K、压强为10—1000 Pa时7240—7246 cm~(-1)波段的纯水汽振转跃迁光谱.采用Voigt线型多峰拟合方法,获得了5条水汽振转跃迁谱在不同温度、不同压强下的积分吸光度值及洛伦兹展宽值,运用线性拟合的方法得到这5条吸收线的自展宽半峰全宽系数及参考温度下的线强值.运用不确定度传递公式,计算得到实验结果的不确定度,与HITRAN2012数据库中的线参数进行对比,所测的5条吸收线中实验结果与数据库值最大相差10.96%,且实验结果的不确定度为1.11%—2.98%(置信概率p=95%,包含因子k=2),小于HITRAN2012数据库值的不确定度.     

激光引信探测技术研究

分析了激光引信探测技术发展状况及工作原理。针对目前在研的激光引信探测的关键问题,即激光引信的前倾探测和伪随机码探测技术进行了分析。得出两个结论:激光引信对目标的45°前倾探测获得了一定的探测提前量,更有利于识别目标,也可以获得最佳起爆参数;伪随机码体制激光引信探测技术在保密性和抗有源干扰性能等方面比普通脉冲体制激光引信都有本质的提高。