高灵敏度离轴积分腔输出光谱技术

利用离轴积分腔输出光谱技术,采用同时扫描激光和谐振腔腔长的方法,使用分布反馈布拉格二极管激光器探测了1.573μm附近CO2的吸收光谱,得到很好的信噪比和灵敏度,探测灵敏度达到4×10-8cm-1(信噪比为2,1 s积分时间)。用非线性最小二乘拟合吸收谱线方法对积分腔输出光谱已经不再适用,会造成自加宽系数变宽为实际自加宽系数的2.39倍左右,对空气加宽系数测量影响较小。为了得到正确的谱线线宽参量,应该对吸收系数进行拟合,该结论从理论和实验上得到了证明。     

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。     

离轴积分腔输出光谱气体传感降噪技术

为了有效抑制离轴积分腔输出光谱气体传感中存在的系统及腔模噪声并提高信噪比和气体检测灵敏度,在传统经验模态分解(EMD)方法的基础上,提出了一种改进型的EMD滤波算法.在对含噪信号进行分层分解的过程中,结合Savitzky-Golay(SG)滤波算法和互相关运算,利用滤波信号与互相关系数来得到重构滤波信号.利用甲烷气体样...     

利用红外光谱吸收原理的CO浓度测量装置研究

介绍了一种基于红外光谱吸收原理 ,利用钽酸锂热释电探测器实现一氧化碳浓度测量的装置。该装置主要由探测器系统、信号放大与处理系统及显示报警系统三部分组成。介绍了该装置的工作原理、基本结构及主要技术指标。讨论了其中的技术难点及其相应的解决方法。     

2μm波段高灵敏度离轴积分腔装置实际大气CO2测量

利用分布反馈式(DFB)二极管激光器为光源, 搭建了一套2 μm波段的离轴积分腔输出光谱装置. 利用高纯甲烷气体, 测量了腔镜反射率随腔内气体压力 变化的规律. 当腔内压力为3.59 kPa 时, 标定的镜面反射率为0.99865, 在此条件下, 基长55 cm 的离轴积分腔实现了407.4 m的吸收光程. 选取CO₂ 在4993.7431 cm^-1处的吸收谱线对实际大气中的CO₂浓度进行了测量, 探测限为0.53 ppmv (1σ), 利用小波去噪对光谱信号进行了去噪处理, 信噪比提高了80%, 探测限提高到0.29 ppmv(1σ). 利用搭建的装置在实验室内测量了从上午9时到中午12时实际大气中CO₂的浓度, 并与H₂O/CO₂分析仪进行了同时观测与对比分析, 初步验证了测量装置的可靠性.     

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...     

基于腔增强激光光谱的水中溶解甲烷传感系统

为探测水中甲烷气体浓度,研制了一种基于离轴积分腔输出光谱的水中溶解甲烷传感系统.系统由分布式反馈激光器(中心波长为1653 nm)、激光器温度控制模块、激光器电流驱动模块、谐振腔/气室、光电探测器、数据采集模块、数据处理模块和气液分离模块构成.利用配备的甲烷气体样品和纯氮气(N2),分别开展系统有效光程标定、直接吸收光...     

瞬态积分浓度场的测量研究

根据污染扩散烟雾粒子的成像理论、粒子光散射原理和数字图像技术,建立了烟雾粒子非定常瞬态积分浓度与 其散射图像强度之间的数学关系,通过烟雾粒子散射图像强度的数字化分析和处理来定量测量非定常瞬态污染扩散相对 瞬态积分浓度场。并利用该方法对烟雾扩散的非定常瞬态积分浓度场进行了实际测量。     

基于腔衰荡技术的光纤双环路一氧化碳浓度监测系统研究

对光纤环形腔技术的传感原理进行了理论推导,并设计了一种双环路一氧化碳浓度测量系统.分析了掺铒光纤放大器在系统中的作用及其增益波动对系统的影响,通过对掺铒光纤放大器的增益进行反馈控制,进一步了提高了测量系统的稳定性和精确性.通过实验,得出了不同浓度的一氧化碳所对应的衰荡曲线.分析了不同浓度的气体对光的吸收特性及衰荡时间与浓度的关系,为实现气体浓度的高准确度在线测量提供了重要的依据.     

基于离轴积分腔输出光谱对泰州大气NH3浓度观测与分析

氨(NH₃)是大气中活性氮最主要的还原形式,是形成二次无机铵盐的重要气态前体物。在中国极度污染的条件下,这些铵盐可占PM_2.5质量的40%～60%。NH₃污染不仅影响全球的光辐射强度,而且会加剧大气光化学污染。目前,城市地区氨气来源仍存在一定争议。为研究泰州地区NH₃污染情况,并深入了解NH₃的来源。2018年6月6日至15日,基于离轴积分腔输出光谱技术,开展了夏季泰州地区大气NH₃浓度的连续观测。其他污染物浓度(如NH₃, NO_x, CO, NH⁺₄)同步进行测量。观测点位距离交通枢纽300 m,观测期间NH₃的平均浓度为25.1±4.5μg·m^-3,相比国内外其他城市,该地区NH₃污染处于较高水平。白天与夜间NH₃浓度均值无明显差异,但总体呈现白天降低夜晚升高的趋势。夜间温差大,...     

X射线荧光光谱法测定一氧化碳助燃剂中的铂

介绍用X射线荧光光谱法测定CO助燃剂中Pt含量的分析方法.考查了影响Pt元素测定的各种因素,分别以Al2O3和丝光沸石为载体配制铂的校准曲线,使标准样品与样品的基体基本一致,减少了基体效应的影响.待测元素的线性范围为:0.002％-0.2％,相关系数均为0.9999,测定结果的相对标准偏差小于1.5％.该方法的测定结果与原子吸收光谱法的测定结果相吻合.方法简便、快速,测定结果准确.     

基于离轴腔增强吸收光谱双组分CH4/H2O高灵敏度探测研究

H₂O和CH₄在气候变化过程中起着关键作用,实时在线测量H₂O和CH₄浓度一直都是国内外学者研究的热点问题之一。利用1.653 μm可调谐半导体激光器作光源,结合反射率为99.997 6%的两片高反射镜组成离轴腔增强吸收光谱装置,开展了H₂O和CH₄的高灵敏度测量研究。离轴腔增强系统的有效吸收光程通过吸收面积-浓度关系法来标定,吸收面积-浓度关系法的可行性首先通过已知光程的光学吸收池进行验证,确定有效后用于标定离轴腔增强系统的有效光程。结果表明,基长为21 cm的离轴腔增强系统的有效吸收光程达到了8 626.3 m。当谐振腔内压力为5.06 kPa时,利用7组不同浓度的CH₄标准气体（0.2～1.4 μmol·mol-1）对系统进行了线性响应标定测试,得到了CH₄吸收的积分面积与浓度拟合关系曲线。系统的稳定性、可实现的最小探测灵敏度等信息通过Allan方差进行分析,结果表明系统对探测CH₄的最佳平均时间为100 s,最小可探测浓度极限为7.5 nmol·mol-1;系统对探测H₂O的最佳平均时间为200 s,最小可探测浓度极限为55 μmol·mol-1。对提高系统测量精度的数据处理方法也进行了分析研究,结果表明相比于多次平均方法,Kalman滤波能显著的提高测量精度,而且缩短了系统的响应时间。最后,利用搭建的离轴腔增强实验系统结合Kalman滤波数据处理方法对实际大气中CH₄和H₂O浓度进行了连续两天的测量,CH₄每天平均的浓度分别为2.1和2.08 μmol·mol-1,H₂O每天平均的浓度分别为11 515.6和11 628.6 μmol·mol-1,由此可知建立的离轴腔增强吸收光谱装置能够用于大气CH₄和H₂O的测量,另外建立的系统也可用于相关工业领域的高灵敏度CH₄和H₂O监测。     

基于扩散相关光谱的血流检测方法研究

组织血流信息在临床诊断和治疗中具有重要的作用,无创血流检测是医患双方的期望。研究采用了近红外扩散相关光谱方法对生物组织血流进行无创检测,理论分析了散射光斑强度的变化和被测组织中血细胞运动状态的函数关系,建立了检测组织血流的理论模型及检测系统。该系统通过求解组织表面散射光斑电场强度的时间自相关函数来推断组织中血细胞的运动状态,进行组织血流的定量分析。采用健康人体前臂袖带加压实验模型对该系统进行了验证,实验结果验证了该系统进行组织无创血流检测的可行性,同时也表明该系统可以提供从浅层到深层的组织血流变化信息。     

结合吸收光谱与互相关法的燃气速度测量方法研究

针对可调谐半导体激光器吸收光谱(TDLAS)基于多普勒效应测速方法在燃气流速测量中频移量小、误差较大的问题,提出了结合固定波长吸收光谱法与互相关法的燃气速度测量方法。考虑碳氢燃料燃烧产物特点,选取H₂O分子7 185.597 cm-1吸收谱线,通过布置上下游两束固定波长吸收光谱测点,分析两信号的互相关特性来计算得到燃气速度。利用平面火焰炉实验系统对该方法测量燃气速度开展实验研究,获得了变工况下燃气速度随时间的变化情况。在相同工况下开展数值计算,将测量结果与数值模拟计算结果进行对比,相对偏差不超过8%。同时将该方法初步应用于煤油燃料火箭基组合循环发动机(RBCC)的高速羽流速度测量,获得了上下游探测器脉动信号,通过互相关分析计算得到了羽流速度,验证了该方法的可行性。实验结果表明,该燃气速度测量方法具有测量范围宽、测量精度高,环境干扰小等优点。提出的方法为发动机燃气速度测量提供一种简单可靠的测量方法。     

基于最小二乘法的激光吸收光谱非均匀温度/浓度分布研究

研究了可调谐半导体激光吸收光谱技术实现非均匀温度/浓度分布测量。通过扫描多条H₂O吸收谱线,利用最小二乘算法求解非线性方程,数值模拟和实验得到沿光路方向上的两区温度和浓度分布。计算结果表明采用10条H₂O吸收谱线,计算得到温度相对模型温度的最大偏差为8.3%,浓度偏差为7.6%。通过增加扫描吸收谱线数目和减少未知数个数可以提高计算结果精度。实验测量得到高温区和低温区温度较热电偶读数偏差分别为13.8%和3.5%,数值计算结果与实验结果基本吻合。     

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.     

基于非分散红外(NDIR)技术的土壤剖面二氧化碳浓度的测定

为了探索土壤剖面CO₂浓度以及不同土壤层(腐殖质H层、A层、B层、C层)土壤呼吸的变化规律,应用非分散红外(NDIR)技术的新方法,持续不间断的测量土壤剖面二氧化碳浓度。实验所用的主要仪器为硅基非分散红外测量仪,能在高湿、高粉尘、污垢及其他恶劣环境中进行光谱数据采集。通过2013年全年光谱测定值的采集,并应用梯度法模型计算不同深度土壤碳通量,同时利用LI-8100碳通量自动监测系统持续监测的土壤碳通量值进行回归分析。结果显示：土壤剖面CO₂浓度呈现明显的梯度变化,即随着土壤深度的增加,土壤CO₂浓度增大;梯度法模型得出的不同土壤层的土壤呼吸模拟值与实测土壤呼吸值之间具有较好的线性相关,H,A,B,C层的模型预测的决定系数(R2)分别为0.906 9,0.718 5,0.838 2,0.903 0,均方根误差(RMSE)分别为0.206 7,0.104 1,0.015 6,0.009 6。均达到了较好的预测结果,表明该方法对定量分析不同土壤层碳通量是可行的。该方法具有清晰揭示土壤CO₂在不同土壤层之间的传输规律,以及有助于分析不同土壤层土壤呼吸特性的优点,能为全球土壤剖面碳通量计算提供基础数据,是一种具有发展前途的传感器。