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.     

矿用红外瓦斯检测仪的设计与实现

瓦斯浓度检测是煤矿生产中必不可少的环节,文中设计一种带无线发射模块的便携式红外瓦斯检测仪;该系统以AT-MEGA128控制器为核心,准确快速地实现了系统的功能,同时利用无线收发模块和上位机通信实现信息共享;文中主要介绍了部分硬件电路设计和软件实现,采用两路红外检测装置对瓦斯进行检测,有效滤除了外在红外光的干扰,将朗伯-比尔红外吸收定律和拉格朗日插值定理运用其中实现了对瓦斯浓度的精确检测;最终实验验证该瓦斯浓度检测仪具有检测精度高,检测范围广,高效节能等特点。     

红外甲烷气体浓度检测系统设计

为了精确测量甲烷气体的体积浓度,采用平行红外光源IRL715EN-PR设计了红外甲烷气体检测系统。整个检测系统由硬件电路和软件系统组成。在软件程序设计上设计了一种关于信号处理的新算法,同时设计了中断喂狗程序,大大延长了看门狗定时复位时间。利用Matlab对数据进行了拟合,得到了系统的浓度和电压的函数关系。实验表明,在体积浓度在0%~4%范围内,系统最大相对误差小于1%。     

袖珍式简易显微镜光路的设计与实验

组织学生自行设计制作了袖珍式简易显微镜. 该显微镜角放大率为100×,镜筒长度105 mm,直径20 mm,并给出目镜和物镜的结构、材料的选择和各透镜的加工参数.     

三光窗杜瓦红外探测器抗干扰设计

文中就斯特林制冷机应用在三光窗杜瓦红外探测器组件中对红外探测器的信号产生的干扰问题进行了多方面探讨、测试及分析研究。从制冷机驱动电源入手 ,研制出了一种低干扰制冷机驱动电源 ,并对整个系统的安装调试进行了抗干扰设计 ,有效地控制了系统对探测器芯片信号产生的干扰 ,使其达到用户要求     

多参数补偿中红外甲烷检测仪的研制与试验

采用双通道差分式红外气体检测方法,基于比尔朗伯理论做针对性修正,研制出低检测下限、高探测性能的手持式红外甲烷气体检测仪.通过TracePro光线模拟软件,对比分析多种光学路径结构,得到小空间内长光程气室结构,增强气体有效吸收,提高仪器检测性能.引入多参数补偿算法,对气体吸收理论进行优化,得到适应本检测系统的气体吸收函数,以保证气体浓度信息计算准确性.仪器工作时最大输出电流为130mA,采用干电池供电,仪器的尺寸为209mm×70mm×40mm,甲烷气体浓度爆炸限以下最低检测限可达到50ppm,可以保证气体防爆的安全性要求.     

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。     

用于红外探测器的高红外吸收率结构研究进展

高红外吸收是实现高灵敏度红外探测器的一个重要途径。探测器的响应率与热吸收率紧密相关。高红外吸收将提升红外探测器的探测性能。鉴于高吸收率的重要性,对国内外研究中典型的高红外吸收结构的研究进展进行介绍。目前典型新型高吸收结构有基于新型材料(如超材料)的高吸收结构和基于金属光栅高吸收结构。研究表明这些结构在某些波段可实现近100%的完美吸收,是发展高灵敏探测器的新途径。     

基于中红外DFG光源的甲烷气体光谱检测方法研究

基于中红外光源的气体光谱检测是新的痕量气体监测与分析方法,在大气监测领域具有重要的应用。构建了一套基于中红外DFG光源的甲烷气体光谱检测系统。该系统以1 550 nm和1 060 nm波段可调谐半导体激光器作为基频光源,采用PPLN晶体作为差频非线性变频器件,实现了3.3 μm处的窄线宽可调谐中红外光源输出。实验结果表明,当PPLN晶体工作温度为99.5℃时,闲频光的输出功率为112 μW,差频转换效率达到1.246 mW/W2。晶体的温度接受带宽为4.3℃,泵浦光波长接受带宽为5.3 nm。在此基础上,分别利用直接吸收法和谐波检测法获得了3 028.751 cm-1处的甲烷气体吸收光谱和二次谐波检测信号。     

基于HgCdTe红外探测器的微弱信号检测电路设计

 被动动态傅里叶变换红外光谱（FTIR）仪可用于周围环境红外辐射的光谱分析,其中红外信号检测是光谱仪中的重要组成部分。基于高信噪比、高灵敏度、温漂小和抗干扰能力强的电路设计原理,采用滤波电源供电,使用高速低噪声高精度的运算放大器,通过合理的电路布局和元器件选择来设计红外信号检测电路。在大气环境和室内气室的实验条件下,红外信号检测电路组成的红外光谱仪对目标气体进行红外遥感,并对实验结果进行了分析和探讨。实验结果表明：在系统中运行的检测电路具有较高的信噪比和较好的稳定性,测量精度高,可实现对大气环境的红外遥感。     

甲烷红外吸收光谱原理与处理技术分析

由于工业监控和环境检测的需要,基于红外吸收光谱分析原理,研制甲烷传感系统,日益得到人们的关注。文章描绘了甲烷中红外的基频吸收带和近红外的ν₂+2ν₃组合带、2ν₃泛频带的吸收光谱强度分布,并给出了相应的吸收光谱曲线。定量数据表明,甲烷的基频吸收要比泛频吸收高两个数量级以上,较组合频吸收高3个数量级以上。文章还介绍了甲烷检测的差分技术、谐波技术、腔光谱增强技术、以及光声技术,给出了相应检测方法的理论公式、能够达到的检测灵敏度以及系统的结构。这些技术的有效性已经被研究报道所证明。     

基于QCL的红外吸收光谱技术的研究进展

量子级联激光器作为一种新型的单极型半导体激光器,其峰值发射波长处于中红外波段（2.5~25 μm）,具有功率高、线宽窄、响应速率快等传统半导体激光器所没有的独特优势,且具有较高的探测灵敏度,非常适合中红外波段的气体分子的检测。可广泛应用于大气痕量气体、呼吸气体、燃烧气体、生化气体、机动车尾气、工业废气以及农药残留气体等低浓度气体的检测。因此,利用量子级联激光器对气体分子进行探测在非侵入式医学诊断、环境监测以及工农业生产等领域都具有十分重要的意义。自20世纪末量子级联激光器发明以来,室温激光器的性能得到了长足的进步,也出现了多种结构形式的量子级联激光器。这也使得量子级联激光器红外吸收光谱技术得到了很大的发展。事实上,很多光谱技术在量子级联激光器发明之前就已经得到了发展和应用,而利用量子级联激光器作为光源则在很大程度上扩展了可探测波段,也在一定程度上提高了探测极限。这其中就包括了直接吸收光谱技术、波长调制技术、腔衰荡光谱技术、腔增强吸收光谱技术以及光声光谱等。综述了国内外量子级联激光器进行红外吸收光谱技术的研究现状和发展趋势,分析了量子级联激光器红外吸收光谱技术在发展过程中所遇到的瓶颈以及后期得到的解决方案,比较详细地介绍了各种方法的原理、应用,并指出了在吸收光谱测量中的优缺点,同时对外场痕量气体探测作了简要总结。最后,对量子级联激光器红外吸收光谱技术在未来痕量气体探测上的应用和发展进行了展望,指出随着红外吸收光谱技术的快速发展,这些方法可以得到更有效的改进和发展,进而朝着高灵敏度、高集成度以及高时效方向发展。     

红外光谱等方法在电机易烧毁事故分析中的应用

本文应用红外光谱,气相色谱等方法对１０３２三聚氰胺醇酸绝缘漆的稀释剂“二甲苯”进行了成份分析,结论是该稀释剂根本不是二甲苯,而是以苯,甲苯,卤代烃,二甲苯,和甲醇组成的混合液,找出了电机易烧毁的原因。     

红外光谱分辨率对气体定量分析的影响研究

利用不同分辨率(1, 2, 4, 8 cm-1)的红外光谱建立对多组分气体样本(一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮)的定量分析模型,研究了分辨率对气体定量测量精确性的影响。研究发现：对于样本中的各气体组分,在合适的分辨率下都有其最佳的测量精确性;而对于模型的整体精确性,在高分辨率1和2 cm-1以及低分辨率8 cm-1时模型都有较好的精确性,各组分相关系数(r)均值达到0.999 5以上,校正均方根误差(RMSEC)和验证均方根误差(RMSEP)的均值分别为18.36和15.43以下,而在分辨率为4 cm-1时,模型测量精确性陡然降低,r均值降到0.989 66,RMSEC均值为90.37,RMSEP均值为64.33。实验结果表明：光谱分辨率对气体定量分析有明显的影响。为提高定量分析测量的精确性,需要针对不同的待测气体和应用场合采用合适的分辨率参数。     

基于红外吸收光谱的瓦斯气体浓度检测技术

针对现有矿井瓦斯传感器的缺点,基于红外光谱吸收原理,采用差分吸收技术设计了红外瓦斯气体浓度探测系统。该系统采用单光路吸收气室和单光路双波长探测技术,利用差动放大电路为核心的微弱信号处理电路实现瓦斯浓度输出信号的检测,并采用线性关系式拟合瓦斯浓度和输出电压的关系曲线,实现了对瓦斯浓度的全量程精确探测。实验表明,该系统的测量误差小于2%,具有很高的测量精度,具备了煤矿应用的基础。     

非线性光学材料倍频效应测试系统研究

开展了一种红外和可见波段非线性光学性能测试研究。该研究基于二阶非线性光学原理, 结合光电信号探测技术, 提出了一种采用红外OPO激光以及把倍频光及其他光效应产生的光通过谱仪分光并结合CCD阵列探测器加以区分探测的新检测方案。主要解决了测试使用1 064 nm光源时, 材料的倍频信号532 nm被样品吸收后而探测不到倍频信号的缺点, 以及准确测量了倍频信号强度, 排除了其他光学效应产生的噪声干扰。其特点是采用1 064和1 905 nm的双波长激光替代单一波长的激光源, 该方案能适用于可见和红外非线性材料光学性能的测试。研究工作包括测试系统组成, 工作原理和测试方法, 并给出了采用本方法测试KTP, KDP, AGS以及几种新的红外非线性材料的实验结果, 并且发现了几种有前途的非线性光学晶体材料。研究结果表明本方法具有稳定可靠、判别精度高、操作简单等优点, 可以有效地定性或半定量测试材料的可见-红外非线性光学性能, 为研究可见、红外乃至紫外二阶非线性光学材料提供重要的测试手段。     

红外吸收光谱法研究等离子体甲烷裂解规律

基于光谱吸收原理提出了利用3 391 nm He-Ne激光光源的甲烷探测方法,分析了交、直流辉光放电等离子体中甲烷裂解转化的过程和规律.探测对象选取甲烷3 390 nm附近的ν3谱带,采用单波长、双通道差分吸收探测,消除了光源不稳定及光电器件漂移等因素造成的误差影响.理论和实验表明,该方法有效地提高了系统探测的灵敏度及稳定性.     

数字微镜近红外光谱仪光学系统设计与实验

针对传统光谱仪体积大、成本高、检测速度慢、需样品前处理等不足,提出了利用数字微镜面阵(DMD)实现光谱谱面分割分时选通的近红外光谱仪光学系统.首先,对比传统光路介绍单探测器微型光谱仪系统测量原理;然后结合DMD特性提出光路方案,根据几何光学原理进行初步光学元件选型和光路结构设计,利用ZEMAX光学软件对光路进行仿真,确...     

基于数据挖掘技术的瓦斯气体红外光谱定量分析方法的研究

瓦斯气体的监测是影响煤矿安全的重要因素之一,对其的在线实时监测成为煤矿安全的重要保障。本文采用红外光谱分析技术,对瓦斯气体的红外定量分析算法进行了研究。为提高模型分析精度,将数据挖掘技术应用在分析算法中。通过增加基于K平均非分层聚类分析对数据进行处理发现,带聚类分析的偏最小二乘算法比单纯采用偏最小二乘算法在精度上明显占优。另外,为减少模型中个别定标样本误差对精度的影响,采用聚类分析的方式进行了数据预处理,发现这种去噪方法在分析精度上又有所提高。     

A mid-infrared carbon monoxide sensor system using wideband absorption spectroscopy and a single-reflection spherical optical chamber

A mid-infrared carbon monoxide (CO) sensor system based on a dual-channel differential detection method was developed using a broadband light source in the 4.60 µm wavelength region and a single-reflection spherical optical chamber with ∼0.373 m absorption path length. CO detection was realized by targeting the wideband strong absorption lines within 4.55–4.65 µm. A dual-channel pyroelectric detector as well as a self-developed digital signal processor (DSP) based orthogonal lock-in amplifier was employed to process CO sensing signal. A minimum detection limit of ∼0.5 ppm in volume (ppmv) was achieved with a measurement time of 6 s, based on an Allan deviation analysis of the sensor system. The response time (1000 → 0 ppmv) was determined to be ∼7 s for the CO sensor operation. Due to the characteristics of low detection limit, fast response time and high cost performance, the proposed sensor has relatively good prospect in coal-mining operation.