基于激光技术结合温度修正的高温HF气体检测方法研究

氟化氢(HF)是变电站气体绝缘开关进行故障诊断的重要特征气体之一,因此HF气体的高测量精度,快速响应,实时在线检测的方法是工业和环境领域的研究重点之一。结合激光吸收光谱技术和蒙乃尔钢材加工的耐腐蚀多次反射池搭建HF检测实验系统;分析了HF气体在不同温度下的激光吸收光谱特性,根据HITRAN数据库的HF气体配分函数系数得到配分函数曲线和吸收线强曲线;在研究工作中重点设计了结合激光光谱解析和温度参数修正的浓度反演算法以实现气体浓度的准确检测;结合多次反射吸收池的温度特性利用不同浓度配比的HF样气得到连续实验结果。多次反射池加热后并稳定工作在313和323 K时,温度修正前浓度反演的最大相对误差分别为5.33%和5.87%,温度修正后浓度反演的最大相对误差分别为1.20%和1.47%。通过连续检测和计算,系统在323K时HF检出限为8.7×10-5 mmol·mol-1,高于290K时的检出限6.3×10-5 mmol·mol-1(20 m光程)。尽管高温环境下温度修正后的检测误差大于室温情况,但是同一高温下温度修正后的检测误差仍低于未经过温度修正的值。通过该研究证明了本浓度反演算法工作稳定、可靠,可以满足化工生产现场HF实时监测的需求,对于我国工业HF气体的安全排放监管和环境保护起有效的技术支持。     

纳米TiO2识别色氨酸对映体的研究

以纳米TiO2为基底,L-色氨酸(L-Trp)为模板分子,采用溶胶凝胶法合成L-Trp印迹的纳米TiO2。采用扫描电镜和红外光谱对印迹纳米TiO2和非印迹纳米TiO2进行表征,表明模板分子L-Trp成功地印迹到纳米TiO2中。采用1%的氨水溶液去除印迹的纳米TiO2中的模板分子L-Trp,纳米TiO2上留下与L-Trp相匹配的空穴。采用荧光分光光度法研究了具有L-Trp铸型的纳米TiO2对L-Trp和D-色氨酸(D-Trp)的分离效果。实验表明,模板分子L-Trp与钛前驱体的最佳投料摩尔比为1∶0.2,富集溶液pH值为6.0时,印迹纳米TiO2对L-Trp具有优异的选择吸附性,其分离选择系数为2.42,可实现对色氨酸对映体的识别。     

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.     

多点瓦斯激光传感技术的研究

以甲烷为主要成分的瓦斯气体有易燃易爆特性,在进行高瓦斯矿采掘时极易发生瓦斯爆炸,实时监测矿井瓦斯浓度是煤矿安全预警的重要任务。利用基于波长调制的可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)的高灵敏度、高选择性、快速响应特点和光纤传感技术的抗电磁干扰、防燃防爆、可远程控制的优点实现了多点瓦斯的实时监测。分析研究了光强变化对气体浓度反演的影响,验证了I2f/I1f的方法能有效的减小监测浓度值的波动,系统瓦斯检测限<0.05%。     

可调谐半导体激光吸收光谱法对高温甲烷的测量研究

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)是一种具有高灵敏度、高分辨率、快速检测特点的气体检测技术,已广泛用于大气中多种痕量气体的检测以及地面的痕量气体和气体泄漏的检测。研究了利用TDLAS技术测量高温下甲烷浓度的实验方法,使用可加热的静态吸收池对在1653.72nm波长附近R(3)支转动跃迁的吸收线进行了测量,并计算了吸收线强。分别在相同温度不同浓度和相同浓度不同温度的两种条件下进行了实验。结果表明,利用直接吸收的方法,在实验室可以得到370K时的最小可探测限为100×10-6,500K时的最小可探测限为245×10-6(吸收池长度为10cm),可以应用在燃烧控制及喷焰气体浓度测量等多个领域。     

基于菲涅耳透镜开放光路天然气泄漏检测系统设计研究

天然气泄漏直接导致能源浪费和环境污染,造成重大经济损失。以可调谐半导体激光吸收光谱技术为基础的光学检测方法具有精度高、选择性强、响应速度快以及远距离遥测等优点,使其成为天然气站场以及天然气输运管道在线监测的理想方法。可调谐半导体激光吸收光谱与谐波探测相结合,设计了一套开放式长光程的用于天然气泄漏监测的实验系统。它以中心波长为1.65 μm的分布式反馈InGaAS激光器为光源,利用实心角反射器,在发射端以菲涅耳透镜为光学接收系统,把反射回来的光聚焦到InGaAs探测器。同时,在测量过程中,考虑到光强变化对浓度的影响,并通过归一化光强的方法进行消除,使光强波动引起的误差小于1%。在320 m的光程下模拟管道泄漏实验,系统的检测灵敏度为0.1(10-6体积比),根据光学系统收光效率以及探测器的可探测性能进行分析的最小光强,计算得到该系统可探测的光程可达2 000 m,证明完全满足天然气泄漏检测的需求。     

Study on long distance transmission technique of weak photocurrent signal in laser gas sensor

The continuous monitoring of H2S gas concentration is a common problem in natural gas desulfurization process technology.Tunable diode laser absorption spectroscopy(TDLAS)is a preferred technology for continuous monitoring of gas in industrial sites,because of its high selectivity,high sensitivity,and fast response.We discuss the technical solutions of on-line monitoring of H2S in natural gas desulfurization process technology based on TDLAS,and study the security design of monitoring system in inflammable and explosive areas.We also design a weak photocurrent signal converting circuit and perform experiments on transmission characteristics of different distances.The signal-to-noise ratio(SNR)of laser absorption spectrum does not decrease after the 1 500-m transmission.The detection limit is 300 ppb.The system can be operated stably and reliably,and satisfies the need for continuous monitoring of the H2S in natural gas desulfurization process.     

浅谈深度学习与大学物理教育

从深度学习引发教育思考为切入点,探讨大学物理作为理工科专业基础课,自身学科特点与学习者高阶思维养成的高关联度.探析深度学习对大学物理教育的重要作用.     

结合环境参数修正的高温气体光谱检测系统设计

随着工业化进程加快,大气污染监控已受到广泛关注,为实现工业过程痕量气体浓度的准确监测,采用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)搭建了气体浓度在线监测系统,并以LabVIEW为软件开发平台完成了可视化界面。重点设计了数据处理功能及浓度反演算法,通过同步获取的环境压力参数对特征吸收光谱的有效拟合范围进行修正,提高吸光度信号的准确性,再通过读取的环境温度参数修正气体吸收线强以获得精确的浓度结果。将该系统应用于高温氨浓度在线测量实验中,获得高温不同压力下的氨气浓度测量结果。实验结果表明,在500 K温度下,不经过压力、温度参数修正的最大氨浓度反演偏差为18.81%,通过参数判断后再进行光谱提取和修正,得到浓度最大偏差为3.96%。该系统能够准确反演不同环境参数(压力、温度)下的气体浓度,实现了工业高温现场气体的实时、精确在线测量。