基于共振型高灵敏度光声光谱技术探测痕量乙炔气体浓度

乙炔气体作为判断变压器运行状态的一种故障气体,其浓度的高低反映了变压器的运行状况,因此对其浓度的探测在变压器的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乙炔气体浓度,为变压器的维护提供技术参数,针对基于DFB激光器的共振型光声光谱技术痕量乙炔气体检测技术开展研究,对传统的光声光谱探测系统进行改进。根据光声光谱技术的理论可知,光声信号的强度与入射激光的功率成正比,所以在光声池的出射窗口采用一个平面反射镜将红外光再次反射到光声池中以增加入射光功率,增强光声信号强度,进一步提高了光声系统的探测灵敏度。通过一定浓度的乙炔气体在不同调制频率和不同调制深度下光声信号强度的变化,确定光声探测系统的最佳调制频率和最佳调制深度为767 Hz和0.3 mV。利用不同浓度乙炔气体对系统进行标定,然后采用最小二乘法对光声信号与气体浓度进行拟合,二者具有很好的线性度。通过Allan方差计算可知,系统在平均时间达到200 s时,能够达到最低探测极限浓度。实验表明,在一个大气压下,积分时间为10 ms时,改进后的共振型光声光谱探测系统对乙炔气体的最低探测极限浓度达到了0.3 μL·L-1。还将小波去噪技术引入到低浓度下乙炔气体的光声信号处理中,有效消除了低浓度气体光声信号中的噪声,提高了信噪比。设计的共振型光声光谱探测系统操作简单,最低探测浓度符合国标中对变压器维护过程中对乙炔气体的探测需求,在变压器维护领域具有广阔的应用前景。     

激光外差光谱仪模拟风场探测

中高层大气风场是表征中高层大气环境的重要参量,对中高层大气风场的探测在民用和军用领域有着重要意义.激光外差光谱技术是近年来迅速发展的一种高光谱分辨率和灵敏度的被动式遥感探测技术,以激光外差光谱技术为核心研制的激光外差光谱仪因具有体积小、重量轻、结构稳定等特点,在星载测量中高层风场领域有巨大的潜力和应用前景.激光外差光谱仪的地面风场探测性能验证是其应用到卫星上的关键环节,本文利用实验室环境下建立的风场模拟装置实现0—25 m/s的风速变化,并基于光谱分辨率为0.003 cm^-1激光外差光谱仪分别测量了无风速变化和不同风速下的CH₄吸收谱,测量风速的分辨率为3 m/s.使用光纤F-P干涉仪、波长计和参考池对激光器输出光频率进行实时的相对定标和绝对定标.通过计算吸收光谱中心频率的偏移量,反演得到风场风速,并与风场模拟器风速对比,相对误差为1.49 m/s.该实验对激光外差光谱仪测风性能进行有效验证,证明了使用激光外差光谱仪进行中高层大气风场测量的可能性.     

用于磁旋转光谱的环形永磁阵列的匀场分布仿真优化

法拉第磁旋转光谱(Faraday rotation spectroscopy, FRS)技术因其高灵敏度,零背景噪声,以及能有效避免抗磁性物质干扰的特性广泛应用于各类顺磁性痕量气体的探测.目前大部分FRS技术采用线圈构造电磁场,存在能耗高、发热多等问题.为此,开展了基于组合环形永磁体的空间磁场分布建模仿真研究,意在建立轴向分布的磁场,为测量FRS提供基于永磁体的沿光轴方向的匀强磁场.仿真采用有限元网格剖分的方法,基于麦克斯韦方程组,开展组合磁环的磁场分布仿真研究,并通过实验测量实际钕铁硼永磁体磁环阵列的磁场分布,证明了建立物理模型的可靠性.在此基础上提出了对永磁体磁环阵列的3种优化方案—单理想值优化、多段式单理想值优化和梯度优化方案,来构造中心轴线磁感应强度分布均匀的匀强磁场.最后通过引入磁场均匀度,计算评估并分析比较了不同优化方案的优化效果,为研发基于永磁体的FRS光谱设备提供参考.     

基于正交试验的光声池气流性能模拟及参数优化

基于光声光谱原理的气体浓度检测是光声技术最典型的应用。与其他光谱气体检测方法相比,光声气体检测技术主要具有结构简单、探测器不受波长限制、零背景噪声、成本低等优点。它在气体检测领域得到了广泛的认可和应用。作为光声光谱气体检测系统的核心部件,光声池的性能将直接影响系统的检测结果。因此,光声池的优化设计已成为该领域的研究热点。当前,针对光声池的优化主要是基于系统静态条件,关于光声池腔内气体流动性能及动态时间响应的研究报道较少。由于光声池在动态检测条件下的气体扰动及系统检测噪声具有一定影响,因而对于光声池的相关参数进行进一步的探索与优化,改善光声池腔内气体流场分布、动压特性及其气体浓度平衡时间对于提升光声光谱的气体检测性能具有重要意义。为此,以传统的圆柱形光声池为基础,基于三维流场数值模拟方法建立了光声池腔内流场的稳态和瞬态模拟模型,计算获得了光声池腔内气体流场分布及其气体浓度平衡响应规律,结果表明,减少光声池腔内气流流速及优化光声池中的过渡结构将会改善气流引发的动压波动以及缩短腔内气体浓度调节时间。以光声池的缓冲腔与谐振腔过渡处圆角、辅助孔数量、辅助孔半径、辅助孔中心圆半径以及进气速度5个参...     

参数主动控制的痕量气体实时在线测量系统

基于二极管激光波长调制光谱技术建立了一套参数主动控制的痕量气体实时在线探测系统。为提高系统的实时在线测量性能和测量精度,在模拟温度与压强对痕量气体浓度探测影响的基础上,待测气体的温度、压强和流量被主动控制,并能保持长期稳定性。小波去噪和卡尔曼滤波数字降噪技术被联合应用于系统。以CO_2分子吸收为例的实验结果表明,小波去噪的应用将吸收光谱的信噪比提高了30%左右,卡尔曼滤波的应用将CO_2体积分数的测量精度由2.5×10~(-7)提高至7×10~(-8)。Allan方差结果给出了系统的稳定时间,约为60s。实测实验室内CO_2浓度的结果表明,该测量系统具有良好的稳定性和可靠性,能够很好地监测痕量气体浓度的变化。     

测定废气中的铅时微波消解玻璃纤维滤筒后3种样品处理方式比较

采用原子吸收分光光度法测定固定源污染废气中的铅时,微波消解玻璃纤维滤筒后,按照直接稀释、赶酸、加硼酸3种方式处理样品进行测定,比较了这3种处理方式的操作性和测定结果的准确性。玻璃纤维滤筒空白样用直接稀释、赶酸、加硼酸3种方式处理,测定结果分别为0.56,0.25,0.21 mg/L,加标回收率分别为84%,95%,85%。直接稀释定容测定,方法简便,但准确度较低;赶酸后测定,方法准确度高,但耗时长。     

基于二次谐波特性的DFB激光器稳频新方法研究

窄线宽稳频激光器在工业生产控制中具有广泛的应用,但自由运转的半导体激光器的频率漂移限制了激光器的使用。为稳定半导体激光器的频率,提出了一种基于二次谐波吸收特性来实现窄线宽二极管激光器的稳频新方法,利用1.396 μm的DFB二极管激光器测量水汽的二次谐波信号来实现激光的稳频,实验结果表明在100 h内激光器输出波长漂移有效的抑制在±0.16 pm范围内,激光稳频后,其吸收峰的位置不随环境温度的变化而漂移。该方法具有简单、可靠等优点,对二极管激光频率的稳定具有广阔的应用前景。     

中心波长2.33 μm附近CO和CH4分子的同时探测

 采用分布反馈式半导体激光器作为探测光源,结合程长为100 m的离散型多通吸收池,采用直接吸收光谱技术,对室温下中心波长2.33 μm附近各种低体积分数的CO及混合气体（CO,CHCH₄和N₂）的直接吸收光谱进行了测量。选择CO在4 288.289 8 cm^-1位置的吸收谱线和CH₄在4 287.650 15 cm^-1处的吸收谱线进行痕量探测,在40 698 Pa的总压力下,实验测得CO的探测极限为8.15×10^-6(信噪比约为216）,CH4的探测极限为18.48×10^-6(信噪比约为147）。     

应用于激光外差辐射计的高精度太阳跟踪仪

报道了一套适用于激光外差辐射计的高精度太阳跟踪仪,为激光外差辐射计提供用以反演大气成分的柱浓度和垂直廓线的太阳光。太阳跟踪系统采用太阳运行轨迹跟踪与光电跟踪相结合的跟踪方式,具有精度高、全时空特点。测量了该太阳跟踪仪的跟踪精度,X和Y轴方向跟踪精度分别达到0.068°和0.06°,能够满足激光外差辐射计在大气和天文领域中对太阳光收集的要求。进而把太阳跟踪仪与实验室研制的激光外差辐射计集合起来,测量了3.5 μm附近的太阳光谱,得到了CH₄在整层大气中的吸收情况,为下一步反演整层大气中CH₄的柱浓度和垂直廓线奠定了基础。     

光声光谱检测装置中光声池的数值计算及优化

利用光声光谱技术进行痕量气体的检测具有独特的优势,光声池是系统装置中最为重要的核心部件,它决定着整机性能的优劣.以一圆柱形共振型光声池为研究对象,基于声学与吸收光谱学的基本理论,建立了光声池声场激发的数学模型;利用数值模拟方法对光声池空腔结构进行了声学模态仿真,获得了前8阶声学模态值以及声压可视化振型;在考虑热黏性声学损耗的作用下,对光声池进行了热-声耦合多物理场仿真计算;将仿真结果与解析计算和实验结果进行对比,明确了利用数值模拟方法来计算光声池有关指标的可靠性与可行性;针对光声池的优化问题,提出了一种将响应面代理模型与遗传算法相结合的优化算法,在将原光声池中的谐振腔两端形貌更改为喇叭口形的情况下,通过优化算法获得了以光声池品质因数Q及池常数C_(cell)为最大值寻优的Pareto最优解集;选取一组解进行考察,结果表明,代理模型预测值与数值模拟值指标最大误差仅为1.3%,优化后的新型光声池Q较之前增长了48.9%, C_(cell)增长了34.4%.研究方法可为光声光谱中光声池的优化设计提供参考借鉴.