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。     

可调谐半导体激光吸收光谱技术的调制参量影响及优化选择

为获得较好的谐波信号,完成不同测量目的,以DFB-760.77nm波长处氧气监测为例,通过改变扫描锯齿信号和调制正弦信号的频率和幅值,讨论了调制参量对二次谐波信号峰-峰值、对称性、谐波信号展宽和信号完整性等判别依据的影响和变化.结果表明:Sinmulink模拟值和实验值相关性较高,当正弦调制信号和锯齿扫描信号频率比值为1 000倍时,可以获得较好的二次谐波信号.该研究为实验系统中调制参量的选取和调制度及系统准确度、稳定性、重复性等性能的优化提供了一定帮助.     

可调谐二极管激光吸收光谱技术参数选择及优化

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)系统性能受调制参数,如调制度、调制频率、扫描幅度及扫描频率影响,实际测量中各参数不存在明确的选择依据。针对此问题,文章在一定的理论基础上通过实验分别观察各调制参数对二次谐波信号的影响,通过分析检测信号的特征,如幅值、信噪比、对称性及峰宽得出其变化规律,总结出在不同系统功能和需求下系统各调制参数的优化依据及方法。系统在计算浓度和温度时应优先考虑幅值和信噪比,从而使调制度达到最佳值,调制频率和扫描频率取较小值;在线形推导压强时优先考虑信号的对称性和峰宽,根据计算的具体要求确定调制参数;扫描幅度的确定以得到完整谐波信号为准;再根据系统的速度和精度需求调整扫描频率。该研究为此类系统工作状态的确定提供了实验依据。     

痕量气体可调谐激光二极管吸收光谱分析系统在线自校准技术研究

可调谐激光二极管吸收光谱技术(TDLAS)是最有潜力的痕量气体在线监测技术之一。受测量原理的限制,其测量结果受温度和气压影响很大,目前多采用现场安装传感器来测量温度和气压信息,以对该误差进行修正。提出了利用在线参考气室对TDLAS系统中温度、气压变化引起的测量误差进行在线自校准;该参考气室内包含标准浓度的被测气体,并带有能变形的压力膜盒,工作的时候,该气室被放置在被测气体工作环境中,能自适应地调整室内气压和温度;在一次扫描过程中同时测得工作光路和参考光路的吸收光谱,并求得二者的吸收谱线强度比,即可得到校准后的被测痕量气体的浓度,无需考虑温度和气压影响;还介绍了这一自校准系统的原理、设计、实验和现场应用。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的瓦斯监测方法研究

瓦斯爆炸是煤矿安全的主要威胁,对瓦斯气体浓度进行准确、快速、实时监测和预警是治理瓦斯灾害的有效手段。实验研究了近红外半导体激光吸收光谱技术在煤矿瓦斯气体安全检测中的应用。系统光源采用的是1.65μm波长的近红外可调谐DFB激光器,使用了波长调制和二次谐波检测技术,通过光纤进行信号传输。系统检测限低于0.09%,气体浓度的检测速度最高可达到0.02s。研究表明:该技术具有实时、连续、快速、非接触检测的特点;现场无带电部件,具有多点分布式遥测的能力,能够满足煤矿瓦斯安全检测的要求。     

高分辨率高灵敏度可调谐近红外二极管激光光谱探测

根据近红外可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)和波长调制光谱技术(WMS)的原理,设计了一套可调谐近红外二极管激光光谱仪,在实验室结合长程吸收池,对各种浓度的CO2进行了测量。测量结果表明,在170m吸收程时,可以探测压力为1．9995Pa的CO2,比原来的实验结果有很大提高a     

基于谱线频率特征的调谐二极管激光吸收光谱参数分析

调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术因其高分辨率、高灵敏度和快速测量等优点在工业生产、环境污染监测等方面受到广泛应用。波长调制光谱（wavelength modulation spectrum, WMS）的二次谐波信号经常用作气体浓度反演的检测信号。TDLAS检测性能与系统参数,如锁相放大器的时间常数、扫描幅度、扫描频率、调制幅度、调制频率等的选取紧密相关,实际测量中各参数的选择多以谱线形态特征为依据,参数之间的关联性未能得到较好体现。由于信号的采样与处理均在频域对谱线产生作用,各参数之间的作用相互关联。然而很少有研究参数对谱线频域的影响,针对此问题,在一定的理论基础上通过实验分别观察各调制参数对二次谐波信号的影响。通过保持其他参数不变,只改变一个参数的方法,得出各个参数对信号线型、频率特征及噪声引入的影响规律,继而分析并验证了多参数联合变化对谱线频带的决定作用。与基于时域特征的传统方法相比,基于谱线频率特征分析一方面具有与谱线信号采集检测处理机理相近的优点,另一方面可以直观得到各参数对主频带的影响和不同频率信号的衰减趋势。总结出基于频率特征的各参数的基本选取方法,以谱线频带和截止频率相互关系为判定标准,截止频率的大小由锁相放大器时间常数决定。通过设置合适的时间常数和扫描参数使信号频带与截止频率相近但不相交,使谱线频带内频率分量不产生衰减,频带外噪声得到最大抑制;再根据锁相放大器的性能和信号信噪比来确定调制参数,使谱线主频幅度最大;最后根据系统需求确定采样率。单周期采样点不变时,低扫描频率时检测精度相对提高但耗时较长;反之,扫描频率提高,速度变快但检测精度下降。通过联合影响规律调整关联参数,减小硬件限制对参数最优值选取造成的影响。可在考虑系统检测需求与硬件条件限制的前提下,通过参数选择得到最优二次谐波信号,为此技术的实际应用提供了参数优化的实验依据与参考方法。     

可调谐二极管激光吸收光谱二次谐波信号的模拟与分析

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)作为近年来发展起来的一种气体检测技术,具有高分辨率、高灵敏度和快速测量等特点。波长调制光谱信号的二次谐波分量常作为检测信号,用于气体浓度信息的反演。利用MATLAB中的可视化建模仿真平台Simulink,模拟了基于TDLAS的波长调制光谱信号,利用锁相放大原理提取二次谐波分量。采用数字锁相,正交双通道结构实现锁相算法。通过比较不同调制系数下二次谐波信号的变化情况,分析了二次谐波信号与调制系数的关系,以便确定最佳参数,用于二次谐波的提取。     

城市空气质量监测系统(DOAS)谱线漂移问题及解决方法

城市空气质量监测系统中差分光学吸收光谱法的光学部分受到外界影响(温度、光纤位置等),或是氙灯自身的变化,都会引起测量谱线的漂移。如果灯信号谱与大气测量信号谱谱线漂移不一致而产生谱线相对偏移,将直接影响测量结果的准确性。因此,在运用DOAS方法进行大气痕量气体污染物浓度反演时,必须对大气测量信号谱和灯信号谱进行波长匹配。文章通过对氙灯自身发射光谱特殊结构的研究,提出了利用氙灯特征发射峰,通过对两个信号光谱进行最小二乘拟合,达到谱线校正的方法。实验结果证明,这种方法可以有效地减小谱线相对偏移对大气痕量气体污染物浓度反演结果的影响。     

调谐激光吸收光谱波长偏移修正算法研究

可调谐半导体激光器具有线宽窄、波长扫描快、室温工作等特点,基于可调谐半导体激光器构成的激光吸收光谱气体测量系统在大气环境检测、工业生产过程在线检测中得到了广泛的应用。在实际测量系统中,由于可调谐半导体激光器中心波长受温度等因素的影响发生偏移,如不进行中心波长校正,将造成序列光谱数据重叠,处理后的光谱线型发生展宽,进而影响后续的光谱线型拟合,对气体浓度的反演精度产生影响。一般采用参考光谱吸收谱线寻峰方法进行序列光谱数据偏移的对齐,但光谱数据中的随机噪声、背景噪声、漂移噪声等因素影响峰线波长的精度。为了降低上述因素的影响,提出一种改进的时域相关光谱修正算法,首先对光谱信号进行自相关,在一定程度上提高光谱信号的信噪比,然后再进行时域互相关处理,能够准确的计算出激光器波长偏移量,减少由此造成的光谱线型展宽的影响,提高了浓度反演精度和测量稳定性。在激光吸收光谱气体浓度检测实验系统中进行了实验验证,评估结果中,原始数据标准差为1.482 8,谱线寻峰方法与时域相关方法修正后数据标准差分别为0.433 9和0.293 6,改进的时域相关修正方法修正后数据标准差为0.132 5,改进的时域相关修正方法相关系数均优于0.992,欧式距离的标准差为1.726 4。系统稳定性评估中改进方法波长漂移修正后标准偏差为0.144 3。     

Self-mixing interference effects in tunable diode laser absorption spectroscopy

We report the effects of self-mixing interference on gas detection using tunable diode laser spectroscopy. For very weak feedback, the laser diode output intensity gains a sinusoidal modulation analogous to that caused by low finesse etalons in the optical path. Our experiments show that self-mixing interference can arise from both specular reflections (e.g. cell windows) and diffuse reflections (e.g. Spectralon^™ and retroreflective tape), potentially in a wider range of circumstances than etalon-induced interference. The form and magnitude of the modulation is shown to agree with theory. We have quantified the effect of these spurious signals on methane detection using wavelength modulation spectroscopy and discuss the implications for real gas detectors.     

基于可调谐半导体激光器吸收光谱的温度测量方法研究

介绍了基于半导体激光器作光源的吸收光谱测温技术研究和开发集成的系统,利用H₂O在1.4μm附近的吸收线对的线强比值来反演温度.介绍了该系统在实验室管式高温上的标定和开放炉管的测量验证,结果显示各设置温度下测量温度波动平均在50 K左右.之后在CH₄/空气预混平焰炉上进行进一步验证,发现在吸收线7153.7 cm^-1长波一侧出现了HITRAN08中未给出的几条H₂O吸收和该吸收线重叠.HITEMP中在这些波长上有对应的吸收线给出,但对另一条选用的吸收7154.354 cm^-1,给出的可对应吸收线中心频率和测量不一致.根据实验测量结果和HITRAN/HIlTEMP的对比,对选择吸收线对的位置和线强等参数继续采用实验室标定结果,并引入HlTEMP中给出的这些高温下表现出来的吸收线参数,在平焰炉不同当量比状态下做了测量对比.     

可调谐激光吸收光谱应用于气体二维浓度分布重建研究

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS),设计了气体浓度二维分布重建系统。将单路可调谐激光分为24路,交叉穿过目标区域,得到24组直接吸收信号(DA),并采用代数迭代法(ART)计算得到目标区域气体浓度二维分布。搭建了二维气体浓度分布测量试验台,利用中心波长在1.653μm的DFB激光器作为光源,选取HITRAN数据库CH4的2v3带R(3)线作为计算谱线进行数值模拟和试验验证,并对重建结果进行了误差分析。结果表明重建系统能很好的实现气体二维浓度分布重建测量。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的酒精蒸汽检测方法

采用窄带半导体激光器开展了酒精蒸汽浓度检测方法研究.使用酒精分子在7180 cm-1附近的一个相对较窄的吸收峰作为酒精分子的鉴别信息.为消除水汽对酒精分子检测的干扰,提出了建立多元线性回归方程拟合求解多分子吸收共存的问题.实验表明,系统的检测限达到25 ppm·m.     

Self-calibration wavelength modulation spectroscopy for acetylene detection based on tunable diode laser absorption spectroscopy

The expressions of the second harmonic(2f) signal are derived on the basis of absorption spectral and lock-in theories.A parametric study indicates that the phase shift between the intensity and wavelength modulation makes a great contribution to the 2f signal.A self-calibration wavelength modulation spectroscopy(WMS) method based on tunable diode laser absorption spectroscopy(TOLAS) is applied,combining the advantages of ambient pressure,temperature suppression,and phase-shift influences elimination.Species concentration is retrieved simultaneously from selected 2f signal pairs of measured and reference WMS-2f spectra.The absorption line of acetylene(C_2H_2) at 1530.36 nm near-infrared is selected to detect C_2H_2 concentrations in the range of 0-400 ppmv.System sensitivity,detection precision and limit are markedly improved,demonstrating that the self-calibration method has better detecting performance than the conventional WMS.     

连续和准连续激光调制谱分析技术的比对研究

为了在面对不同检测需求时,能够选取适合的调谐激光吸收光谱技术方案,对直接吸收光谱、连续调制谱和准连续调制谱三种方法进行了理论分析和实验比较。在相同实验条件下,通过同一激光器测量不同浓度CO2气体,比较了这三种方法的技术特点、信号特征、检测灵敏度。结果表明,准连续调制谱技术具有与连续调制谱相当的检测灵敏度,但是受激光能量间断和较大的寄生幅度调制影响,检测信号相对于气体吸收谱的线形失真较大,因此不太适合依赖光谱线形和线宽的压力、流速测量。为选取更加适用的激光调制谱技术,提供了参考依据。     

Large scale gas leakage monitoring with tunable diode laser absorption spectroscopy

Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) has been widely employed in atmospheric trace gases detecting and industrial control due to its high sensitivity, selectivity, and rapidity of response. An open path TDLAS system is developed for monitoring large scale methane leakage around the oil refinery.The tunable distributed feedback (DFB) diode laser emits at 1.65μm. In order to enhance the sensitivity,a system combining long open path and second harmonic detection technique is developed. The test results show that the time resolution is less than 0.1 second and the detection limit is lower than 3.6 ppmv. This system is adapted for monitoring a large scale methane concentration changing trend instead of measuring its absolute concentration.     

Low-noise, tunable diode laser for ultra-high-resolution spectroscopy

We demonstrate the excellent spectral properties of a diode laser setup that combines good tunability with superb short-term frequency stability and controllability. It is based on merging two concepts, the diode laser with resonant optical feedback and the grating stabilized diode laser. To characterize the short-term performance we beat two essentially identical diode lasers and find a short-term linewidth of ~11 kHz. Phase locking between these lasers is achieved with a servo bandwidth as small as 46 kHz, although an analog phase detector is used that requires subradian residual phase error. Despite small phase error detection range and small servo bandwidth, cycle-slip-free phase locking is accomplished for typically many 10 min, and the optical power is essentially contained in a spectral window of less than 20 mHz relative to the optical reference. Due to the excellent performance this laser concept is well suited for atomic or molecular coherence experiments, which require phase locking of different lasers to each other, and as part of a flywheel for optical clocks.     

Influence of laser intensity in second-harmonic detection with tunable diode laser multi-pass absorption spectroscopy

Tunable diode laser absorption spectroscopy （TDLAS） has been widely employed in atmospheric trace gases detection. The ratio of the second-harmonic signal to the intensity of laser beam incident to the multi-pass cell is proved to be proportional to the product of the path length and the gas concentration under any condition. A new calibration method based on this relation in TDLAS system for the measurement of trace gas concentration is proposed for the first time. The detection limit and the sensitivity of the system are below 110 and 31ppbv （parts-per-billion in volume）, respectively.