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...     

利用离轴腔增强吸收光谱技术探测实际大气中的二氧化碳

以1.573μm窄线宽可调谐半导体激光器作光源,结合高精细度光学谐振腔的离轴腔增强吸收光谱技术,选择CO2在6 357.311 6cm-1的吸收谱线,对实际大气CO2分子进行了测量。为了得到更准确的有效方程,对谐振腔吸收程长的标定方法进行了研究,给出了一种简单、实用的标定方法。实验结果表明,高精密度光学谐振腔的有效吸收程长为～1 195.73m,测得实际大气CO2的浓度为～388.3ppm(S/N≈22),最小可探测浓度为17.65ppm。将波长调制技术与OA-CEAS技术结合后,最终将CO2分子的最小可探测浓度提高到0.36ppm(S/N≈1 064)。     

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。     

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。     

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...     

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.     

基于离轴积分腔输出光谱的燃烧场CO浓度测量研究

CO是碳氢燃料不完全燃烧的重要产物,常常被作为反应燃烧效率的标志物,燃烧场CO组分浓度的精确测量对提高燃烧效率、减少污染物排放具有重要意义。离轴积分腔输出光谱(OA-ICOS)是一种利用物质对激光的特异性吸收,实现对该物质分析和测量的技术,具有非接触、稳定和高灵敏度等优点。针对燃烧场CO浓度低,背景信号干扰强等特点,采用分布反馈式(DFB)激光器搭建基于离轴积分腔输出光谱的CO浓度测量系统,通过直接吸收光谱的测量方法实现对高温燃烧场CO浓度测量。利用仿真模拟的方法,在所用激光器中心波长的附近选出了常温下谱线强度较为突出,高温下不受其他燃烧产物干扰的第一泛频带R(10)吸收谱线。通过固定光程池对比吸光度的方法标定了OA-ICOS系统的有效光程;通过比较不同扫描频率下吸收谱线的信噪比和线型拟合残差标准差,得到最佳波长扫描频率;通过测量不同浓度CO混合气体的吸收信号分析了系统误差。探究了不同燃烧情况下CH₄/Air预混平焰炉上CO的产生情况,根据燃烧场测量区域温度分布情况描述了温度分布不确定度对CO测量结果的影响。当量比为1.0时,在10 ms的测量时间分辨率下,噪声等...     

近红外激光二氧化碳传感系统的研制及应用

采用可调谐激光二极管吸收光谱技术,研制了一种近红外激光二氧化碳(CO₂)传感系统。该系统包含中心波长为1572 nm的分布反馈激光器、密集光斑型气室和铟镓砷探测器,利用LabVIEW程序提取二次谐波信号幅值并反演了CO₂浓度。为了表征传感器性能,利用该系统开展了气体检测实验。结果显示,当调制深度为0.32 cm^-1时,二次谐波信号的幅值最大;在体积分数为0～3%范围内,二次谐波信号的幅值与CO₂浓度具有较高的线性度(拟合优度为0.999);当CO₂体积分数为0时,连续测试1 h,反演得到的浓度波动范围为-2×10^-4～1.17×10^-4;当积分时间为297 s时,系统的灵敏度检测下限为2.7×10^-6;考虑动态配气时气体的扩散时间,系统的响应时间为40～42 s;连续15 h测量室内大气中CO₂浓度,测得的CO₂平均体积分数约为(560±46)×10^-6     

N_2O的离轴腔增强吸收光谱检测技术

基于离轴腔增强光谱检测技术,以可调谐近红外半导体激光器作激光光源,以反射率为99.97%平凹镜组成的光学谐振腔作吸收池,建立了高灵敏度离轴腔增强光谱污染气体检测系统,获得了N2O气体在6 561.39cm-1的吸收光谱.通过对不同浓度N2O样品气体吸收光谱测量,建立了气体浓度与光谱线强度的关系,讨论了气体压强与光谱线宽、检测灵敏度等问题.研究结果表明,离轴腔增强光谱检测技术的检测极限达到了86ppm,是一种设备成本低、操作方便、灵敏度较高、稳定性良好的吸收光谱技术,可以很好地实现微量气体的快速检测.     

采用离轴入射的腔增强吸收光谱研究

为了改善腔增强吸收光谱的探测灵敏度和光谱分辨率,通过将激光光束离轴注入光学谐振腔中,减小了谐振腔内振荡,提高了模式密度,使得谐振腔被近似看作为“怀特池”。采用记录波长在扫描过程中实际变化的方法,对光谱数据进行了非线性校正,省去了参考光路的布置,简化了实验光路。对二氧化碳在1．572μm处的一条弱吸收谱线进行了测量,得到了大小为1．98×10^-7cm^-1的最小探测灵敏度。实验结果表明同等实验条件下,光束离轴入射时比正轴入射时的腔增强吸收光谱具有更高的信噪比和光谱分辨率。     

中红外二氧化碳传感器的研制及在农业中的应用

利用二氧化碳气体分子在4.25μm处的基频吸收带,研制了一种差分式中红外二氧化碳检测系统.系统的光路部分由热辐射红外光源、双通道热释电探测器和球面反射镜构成,电路部分主要包括信号处理、光源驱动及主控模块.采用Tracepro软件对气室结构进行仿真和优化设计,使气体吸收光程达到30cm,改善了系统的性能.实验研究了系统对不同浓度二氧化碳气体样品的传感特性.实验结果表明,由拟合曲线得到的浓度与实际浓度误差较小,在0~5 000ppm范围内,测得二氧化碳浓度的标准差小于45ppm,而在500ppm以下,测量浓度的标准差小于5ppm;对浓度为0ppm的二氧化碳气体样品连续测量2h,测量结果的标准差约为2.8ppm;根据Allan方差分析得到系统的1σ检测下限为2.5ppm.在每个二氧化碳传感器上增加无线模块nRF24L01,构成传感器节点,在选定的日光温室大棚中构建了无线传感器网络,采集了温室大棚中的二氧化碳浓度信息,验证了所研制的传感器性能.     

红外光谱法测定精四氯化钛中二氧化碳的含量（英文）

精TiCl_4是海绵钛生产的关键环节,且海绵钛中杂质碳和氧(C,O)与精TiCl_4中杂质C和O含量成4倍富集关系,因此,钛材质量控制的关键是控制精TiCl_4中杂质C和O的含量。为了控制精TiCl_4中的C和O,需要分析C和O杂质的来源,对精TiCl_4中杂质进行严格控制。测定精TiCl_4中CO2的含量,对精TiCl_4中杂质C和O的分析具有重要意义。CO_2具有红外吸收谱线,因而能够利用红外光谱实现测定,然而精TiCl_4与空气中水气接触极易发生水解反应,生成强腐蚀性的盐酸烟雾,不能使用常规的红外吸收池进行测定。根据Lambert-Beer定律,被测组分浓度(c_x)与吸光度(A)~样品光程(L)曲线的斜率成正比,本研究利用波数范围7 800~440 cm~(-1)的硒化锌窗片(φ10 mm×1 mm)和玻璃池体(42,22,12,7和4 mm光程)组装成一套红外吸收池,采用加标法测定精TiCl_4中CO_2杂质含量。实验得出CO_2的检出限为0.92 mg·kg~(-1),样品回归方程Y=0.031 1X,相关系数r为0.997 2,加标CO_2样品的回归方程Y=0.131 7X,相关系数r为0.998 6,线性关系较好,测定精TiCl_4中CO_2含量为1.53 mg·kg~(-1),标准偏差(SD)为0.04 mg·kg~(-1),方法相对标准偏差(RSD)在0.53%~1.27%之间,加标回收率在89.2%~96.8%。此红外吸收池安全简便、容易拆洗、可重复使用,通过一次加标样品定量分析精TiCl_4中CO_2含量,可满足精TiCl_4中CO_2分析的要求。     

Detection of Carbon Dioxide in Air Using Difference-Frequency Generation Based Infrared Spectrometer

Spectroscopic detection of carbon dioxide (CO₂) in ambient air was performed using a continuous-wave mid-infrared spectrometer based on difference-frequency generation in an AgGaS₂ crystal. Significant improvement in nonlinear optical frequency conversion efficiency was achieved by Gaussian beam optical design consideration. CO₂ concentration was determined from direct-absorption spectral measurement.     

Emission Properties of Laser Plasma Excited on Molecular-Cluster Carbon Dioxide Jets

Technical Physics - We report on the results of investigation of a gas-jet laser-plasma source of extreme ultraviolet radiation based on a conical supersonic nozzle. As a target, we used...     

Off-axis Thermal Properties of Carbon Nanotube Films

Theoretical calculations have predicted that individual Single-Walled Carbon Nanotubes (SWNT) have extremely high thermal conductivity (around 6.6 × 10⁴ W/m-K). The feasibility of constructing practical devices using the above mentioned properties, is critically dependent on the ability to synthesize high-thermal-conducting films. Highly conducting films would be of great use as heat sinks for the next generation of integrated chips. Excessive heating is currently a very serious problem in the endeavor for achieving faster and smaller chips. Since it is still not possible to perfectly align SWNT in the macroscopic scale, the thermal properties of the nano-films are therefore expected to have a statistical effect and thus lower than the intrinsic thermal conductivity of a single nanotube. Also the thermal conductivity perpendicular to the tube direction is more significant from a practical point of view. Multi-Walled Carbon Nanotubes (MWNT) were synthesized by Chemical Vapor Deposition (CVD) technique and subsequently characterized. The thin MWNT films were deposited by a solution casting technique over a metallic substrate. The off-axis thermal properties of these nano-films were studied by AC-calorimetry studies. In this method, the sample is heated by an AC source and the measurement of the relaxation rate is used to determine the thermal properties. This technique is well established for studying the thermal properties of complex fluids. Our results are contrasted with other thermal conductivity measurements intrinsic and bulk carbon nanotube samples. We have also measured off-axis thermal properties of nano-films synthesized from more crystalline SWNT samples and have compared this result with that of the MWNT-film. A model to explain the thermal conduction for our system is proposed. George Muench: Presently at the Department of Physics, University of New Haven, West Haven, CT-06516, USA     

长光程共振式二氧化碳气体光声传感器研究

二氧化碳(CO₂)是植物光合作用的原材料,也是一种温室气体,其过量地排放会影响动植物的生态环境。在碳达峰、碳中和的背景下,研制高灵敏度的CO₂检测装置具有重要意义。为了监测大气环境中CO₂含量的变化,设计了一种长光程共振式CO₂气体光声传感器,并以此搭建了光声检测装置。以中心波长为2 004 nm的分布式反馈激光器(DFB)作为激发光源,激光射入由漫反射材料制成的球型吸收腔,在腔内多次反射以增加气体的吸收路径。吸收腔外部被两个高热传导率的铝制半球包裹,降低由池体吸收光能后产生的热噪声。吸收腔上耦合一根声学管,当其工作在一阶纵向共振模态时,光声信号被放大,在管子末端达到极大值。为了进一步增大光声信号,通过饱和加湿样品的方式来加快CO₂气体的弛豫速率,加湿后的样品产生的光声信号是干燥样品的2.1倍左右。使用一系列浓度的湿润CO₂样品标定光声检测装置,结果表明,光声信号与浓度之间呈现良好的线性关系。在此基础上,通过对标准气体的检测实验,验证了装置的准确性与稳定性...     

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。     

反射式红外传感器在智能型节水系统中的应用

利用反射式红外传感器和少量的电子器件(单稳态触发器),研制了智能型节水控制系统。该系统能够识别是否有人入厕,酌情产生冲洗信号, 躯动进水电磁阀开启,向浮球式水箱内注水,待注满足以冲刷干净所需的两水箱水后,便自动地切断电磁阀中电源,达到了既卫生又节约的目的。在某一教学楼应用该系统一年多来,与无使用此系统的同规模另一教学楼相比,节水约70％。该系统元件少、成本低、结构合理、工作可靠、安装容易、维修方便,有广阔的应用前景。     

激光拉曼型分布光纤温度传感器系统

激光拉螺型分布光纤温度传感器系统是一种用于实时测量空间温度场分布的光纤传感系统，在系统中光纤既是传输媒体也是传感媒体。本文讨论了系统的工作原理、设计思想、系统的结构，在系统中采用光纤的光时域反射技术，背向光纤激光自发拉曼光谱技术，双波长、双通道光电检测和自校正技术，高速瞬态采样平均技术。