基于可调谐半导体激光吸收光谱的氧气测量方法的研究

O₂是工业过程中广泛应用的重要气体, 在工业生产环境下实现O₂浓度的快速在线检测对提高燃烧效率和节能减排具有重要的意义。可调谐半导体激光吸收光谱谐波探测技术是一种具有高灵敏、高选择性、快速响应等特点的气体检测新技术,该技术利用了半导体激光器的可调谐和窄线宽特性,通过精心选择待测气体的某条吸收线可排除其他气体的干扰,实现待测气体浓度的高灵敏快速在线检测。文章以可调谐分布反馈(Distributed feedback, DFB)半导体激光器作为光源,通过波长调制方法对760 nm附近氧气某一吸收线的二次谐波信号测量,从而实现了对氧气浓度的快速在线检测。系统指标达到：检测范围0.01%～20%;检测精度0.1%;长期稳定性1%。     

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。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的逃逸氨在线监测研究

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)具有高选择性、高准确性的优点,为逃逸氨的在线检测提供了可靠的技术手段。首先研究了温度对NH3浓度检测的影响,表明在25³00℃之间,浓度随温度的升高而降低;然后在室温为25℃时,利用TDLAS系统对浓度为10300℃之间,浓度随温度的升高而降低;然后在室温为25℃时,利用TDLAS系统对浓度为10¹00ppm的NH3进行检测,采集得到其二次谐波光谱。比较了单光程和多光程样品池测量结果,得到单光程样品池最低检出限为22.9ppm,多光程样品池的检测限为1.21ppm,多光程样品池能够明显地提高检测精度。结果表明,该系统能够适应现场测量环境。     

基于气体吸收理论的激光光谱气体在线监测技术研究

气体对激光能量的吸收是一种比较普遍的吸收现象,本文利用可调谐半导体激光吸收光谱技术,依据大学物理光学部分的比尔-朗伯尔定律为依据,通过气体吸收实验验证了气体的基本吸收理论,获得了760.77nm吸收波长处不同氧气浓度情况下的基本吸收谱线幅值,得出了气体浓度越高,对光的吸收也越强的结论.并进一步对实验数据进行曲线拟合,使学生深入理解曲线拟合方法在气体浓度监测方面的应用.通过本实验可以增加学生的视野和对新技术的了解,以及对气体吸收理论的进一步理解.     

基于激光吸收光谱开放式长光程的空气中甲烷在线监测及分析

研制了一套基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的开放式长光程甲烷(CH4)浓度实时监测系统,系统采用波长调制和二次谐波探测相结合,并利用光强归一化的方法消除光强波动对测量结果产生的影响,实验证明采用消除光强波动的方法后使测量结果的误差小于2%.然后利用该系统在往返750 m的光程上,对合肥市董铺岛进行了为期1周的大气CH4浓度测量.测量结果表明董铺岛CH4浓度有明显的H变化趋势,白天浓度低,夜间浓度高,日平均浓度(1.8～3.4)×10-6,H最小值(1.8～2.2)× 10-6 ,日最大值(3.0～3.4)×10-6.通过分析,可实现1～2 km范围的空气中CH4浓度的实时在线监测,为生态系统的区域排放通量监测提供了有效的方法,也为卫星遥感提供了可行的地面校准方法.     

基于激光吸收光谱开放式大气CO_2的在线监测

二氧化碳(CO2)作为最主要的温室气体,引发的气候变化和生态环境问题已经成为世界关注的焦点,因此在线监测环境大气中CO2浓度,分析牛态系统的CO2通量是重要任务.将可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术与开放式长光程技术相结合没计了大范围CO2监测仪,系统选择CO2在近红外1.57 gm附近的吸收线,以30 s的时间分辨率对城郊大气CO2浓度进行了连续测量,得出日变化和连续监测结果.结果表明在无污染排放源的城市郊区,大气中的CO2具有明显的日变化周期性,基本特点是白天浓度低,夜间浓度高.监测仪不需要气体采样、具有岛灵敏度、高分辨性、可快速在线监测、调校简单等优点,检测限可以达到4.2×10-7.为生态系统中的温窀气体大范围通量监测提供了有效的方法.     

基于可调谐激光吸收光谱技术的二硫化碳中红外光谱参数测量

采用4.6μm附近的量子级联激光器作为光源,搭建了一套二硫化碳(CS2)吸收光谱测量系统,结合可调谐二极管激光吸收光谱技术,对光谱范围为2178.99—2180.79 cm-1的CS2吸收光谱展开了深入研究,重点测量了2180.5—2180.74 cm~(-1)的四条吸收谱线,利用基于非线性最小二乘的多元线性回归算法对CS2吸收光谱进行拟合,精确得到了该范围内谱线的中心波长、线强以及空气展宽系数等光谱参数.经计算,对应谱线线强不确定度小于5%,空气展宽系数不确定度小于15%,这个结果可作为免标定CS2红外光谱探测的基础光谱参数,对痕量CS2气体传感具有重要意义.未来我们将进一步开展2170—2200 cm-1整个谱段的CS2谱线参数的测量,以期填补其在HITRAN和GEISA数据库光谱参数的空白.     

基于空心光波导的激光吸收光谱氨气传感器

空心光波导(hollow waveguide, HWG)可以同时传输红外激光和目标气体,是激光气体传感器中的新型气体池,具有体积小、响应速度快的特点。基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术,以空心光波导为气体池,研制了氨气激光传感器。采用波长调制光谱(wavelength modulation spectroscopy, WMS)技术,同时解调气体吸收的一次谐波(1f)和二次谐波(2f)信号,通过1f归一化2f信号实现免校准(calibration-free)测量。利用标准气体进行验证实验,结果表明,传感器的响应线性度R2为0.999 8,响应时间24 s。Allan方差结果表明积分时间18 s时检测限为26 ppbv。该传感器可以用于空气中痕量氨气的快速、高灵敏检测。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱气体检测仪的数据采集与实验分析

可调谐半导体激光吸收光谱技术是一种具有高灵敏、高选择性、快速响应等特点的气体检测新技术,它利用了半导体激光器的可调谐和窄线宽特性,通过精心选择待测气体的某条吸收线可排除其它气体的干扰实现待测气体浓度的高灵敏快速在线检测。讨论在工业环境下气体检测系统中数据采集与信号处理方法,分析了实验结果。在工业数据采集和处理系统中如何提高实时性和通用性,是设计者首要解决的问题。在VC++环境下,多线程技术和面向对象方法,实现了实时数据采集,不存在采集丢点问题,成功地实现了数据的准确完整性与实时性,并且在新的数字信号处理中提高了系统的测量精度、重复性和稳定性,满足了工业气体在线检测的需要。     

基于扫描激光的腔增强吸收光谱研究

介绍了一种建立在半导体激光扫描基础上的腔增强吸收光谱技术。简要介绍了从衰荡吸收光谱技术向腔增强吸收光谱的发展及腔增强吸收光谱的实验装置,实验证明能够将 DFB 型半导体激光与高精密光学谐振腔相结合,用简单的实验装置进行高灵敏、高分辨直接吸收光谱测量。实验中,激光器的输出波长用一台波长计精确测量,当激光器的输出频率与某一腔模的频率共振时,激光被耦合到一个用两块高反射率平凹透镜(在 1.572μm 附近,R~0.994)组成的 34cm 长的高精密光学谐振腔,通过测量激光透过谐振腔后的光强,得到了二氧化碳分子在6358.654cm-1附近的吸收光谱,探测灵敏度达到了 1.2×10-5cm-1。     

一种基于紫外光谱法的海水硝酸盐在线监测系统

硝酸盐含量是水体质量指标之一,对于水质质量监测尤其重要。本文搭建了一种水体中硝酸盐在线原位监测系统,采用紫外吸收光谱法（190～240 nm）计算水样吸光度,并通过建立的偏最小二乘模型测定硝酸盐浓度,可用于海洋,河流,湖泊等多种水体。该自动在线监测系统不需要进行水样预处理,无二次污染,能够快速,可靠,灵敏地直接测定现场水样的硝酸盐含量。本系统使用光程为1cm的流通式样品池,并采用参考光路消除系统误差。将系统测量模型得到的不同水样的硝酸盐浓度值与实验配制浓度值相比较,结果表明二者的线性拟合曲线的相关系数r为0.999 98,具有良好的相关性。对采集的浓度数据进行系统误差分析,得到其平均相对误差为0.65%,说明系统精确度高,并且稳定性很好。还通过对烟台海岸进行的现场海水测试,其海水硝酸盐含量约为0.2 mg·L-1左右,以及在水样加标回收实验中,加标回收率皆在 95%～110%内,验证了系统的可靠性和实用性,可用于实际水体硝酸盐监测。     

光谱测量在激光加工在线监测上的应用研究进展

随着现代工业的发展,复杂加工环境和对象、大动态范围、高效率和高精度激光加工需求愈加迫切,在线监测并实时优化激光加工参数是一条重要的解决途径.与此同时,激光与物质相互作用时可产生与加工参数、加工过程和目标特性密切相关的光信号和表面光学特性变化,在线测量光信号光谱可分析加工过程和状态,故光谱测量有望成为一种重要的激光加工在...     

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。     

调谐半导体激光吸收光谱自平衡检测方法研究

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)是利用半导体激光器的波长调谐特性,扫描待测气体特征吸收线,从而获得待测气体的浓度信息。基于可调谐半导体激光吸收光谱的自平衡检测方法能够有效地消除激光器光强波动等共模噪声和其他同性干扰的影响。实验表明自平衡检测方法可以获得较理想的结果,检测限低于体积比1.2×10-6,与直接吸收光谱法相比降低了一个数量级。自平衡检测电路简单,自带的电子增益补偿机制能够自动进行平衡探测,该方法不用加信号调制和锁相放大器,直接探测待测气体的吸收光谱,从而降低成本,减小系统装置体积,易于集成为便携式痕量气体检测仪。     

基于可调谐光纤激光器的C2H2气体光声光谱检测

研制了基于可调谐掺Er光纤激光器的共振式光声光谱乙炔气体检测系统,结合波长调制和锁相放大器的二次谐波信号检测技术,有效地消除了光声池窗片和池壁吸收入射光而引起的背景噪声,通过对该系统的光学、声学和电子检测系统的优化,实现了低浓度乙炔气体的流动式检测.实验结果证明,当气体浓度较低时,二次谐波振幅与气体浓度成正比,其线性响应相关度达到0.999 53.在常温常压和3.5 mW平均光功率以及100 ms锁相积分时间条件下,乙炔气体的极限检测灵敏度达到了0.3 ppm(1 ppm=1μg·mL-1)(SNR=1时),系统用可调谐掺Er光纤激光器代替半导体激光器作光源,降低了成本,为发展低成本、实用、便携式微量气体光谱榆测仪器奠定了基础.若采用多光程光声池,或者采用EDFA提高激光功率,可大幅度提高信噪比,将极限检测灵敏度提高至ppb(1 ppb=1 ng·mL-1)量级.     

铝合金焊前激光清洗的等离子体光谱在线检测

铝合金焊接技术在工业生产、制造和维修等领域有广泛的应用,焊缝内存在气孔导致焊接质量降低是铝合金焊接技术的常见问题。由于铝合金表面金属氧化物是导致气孔生成的主要来源,对激光清洗过程进行在线检测,不但可以实时分析表面氧化物的清洗状态,而且可以避免基体表面因为过度清洗造成损伤或二次氧化。提出采用激光诱导等离子体光谱(LIBS)在线检测铝合金焊前激光清洗过程,表征清洗后铝合金基体的表面状态。LIBS技术可以对多元素成分同时检测,拥有较低的检出限和较高的准确性。搭建基于Andor Mechelle 5000光谱仪的铝合金焊前激光清洗在线检测系统,剔除空气环境对实验结果的影响,测试6061铝合金表面氧化物和铝合金基体的LIBS光谱,分析两者独特的元素特征谱线,采用X射线能谱(EDS)测试结果验证元素特征谱线的准确性,并探讨激光清洗过程LIBS技术在线检测的可行性。实验测试等离子体光谱谱线强度与激光能量密度之间的关系,获得单次脉冲激光去除铝合金表面氧化物的损伤阈值,结合X射线能谱的检测结果研究激光损伤阈值的成因及影响。研究激光清洗过程等离子体光谱特征谱线与脉冲次数之间的关系,提出基于O/Al特征谱线强度比值作为在线检测清洗效果及二次氧化损伤的评判依据。为验证该评判依据的准确性,将O/Al特征谱线强度比值随清洗次数的变化趋势与X射线能谱测试获得的氧元素原子百分比变化趋势进行对比。实验结果表明:采用200~700 nm范围内激光诱导等离子体谱线特征分析激光清洗状态,可以剔除空气环境的影响;氧元素和铝元素特征谱线准确反映出表面氧化膜与铝合金基体的成分差异;X射线能谱检测元素成分和含量表明氧元素含量随着激光清洗能量密度先减后增,单次清洗铝合金的二次氧化损伤的激光能量阈值为11.46 J·cm-2,小于损伤阈值的激光能量密度对铝合金基体的多次清洗未造成损伤,等离子体光谱特征谱线强度与表面清洗状态相关, 656.5 nm(OⅡ)/396.2 nm(AlⅠ)谱线强度比值≤1.5%为激光清洗干净的依据。研究结果有利于铝合金的激光清洗实时控制技术和焊接装置集成化。     

空气中挥发性有机物的光谱学在线监测技术

挥发性有机物(VOCs)是一类危害极为严重的大气污染物,其在线监测技术对于环境保护具有重要的意义。迄今为止,没有任何一种技术能够满足对所有VOCs进行监测的需求。分析了非色散红外方法、傅里叶变换红外光谱、光学差分吸收光谱、激光光谱等可以对VOCs进行在线监测的光谱学方法的特点和现状,并与VOCs的标准检测方法进行了比较,重点分析了调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的发展现状及趋势。