基于跨波长调制和直接吸收光谱的宽量程多气体检测方法

针对可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)在煤矿、石油化工领域进行气体浓度检测时,遇到的高精度、宽动态范围需求,采用时分复用的方法,将直接吸收光谱技术(Direct Absorption Spectroscopy,DAS)和波长调制光谱(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)技术的优势相结合,完成了高精度、宽量程和免标定多气体检测系统的设计。设计激光器的驱动为线性扫描输出和叠加不同高频调制扫描输出的周期信号,用于完成高低浓度反演算法的时分复用计算,通过实验优化选择检测气体的吸光度拐点,实现对气体浓度的高精度、宽量程检测。在室温和常压下,通过实验分别对CH₄、CO和C₂H₂三种气体体积浓度进行检测,确定了两种算法最佳拐点吸光度约为0.026 cm^-1。系统对CH₄、CO和C₂H₂三种气体体积浓度的检测量程分...     

傅里叶红外系统监测大气中温室气体的污染特征

研制了一套90 m的开放光路傅里叶变换红外光谱(OP-FTIR)温室气体分析测量设备，并利用该设备开展了CO₂、CH₄和CO质量浓度的高精度检测。OP-FTIR系统反演CO₂、CH₄和CO的光谱区域分别为2102～2250 cm^-1、2920～3140 cm^-1和2172～2210 cm^-1。以采集到的中红外吸收光谱为反演基准，开展了与Picarro温室气体分析仪的对比测试。选取测量期间10 d的数据，研究了温湿度、风向风速与环境大气中CO₂、CH₄和CO质量浓度的关联度，并详细分析了污染物的日变化特征。实验结果表明：研制的OP-FTIR光谱系统监测温室气体质量浓度具有较高的可靠性；温度、相对湿度、风速和风向对当地污染物质量浓度影响显著；CO₂、CH₄和CO质量浓度的时序变化具有明显的周期性变化趋势。将CO、CH₄质量浓度分别...     

Au纳米颗粒修饰的ZnSnO3纳米立方体结构的制备及其气体传感器性能

采用沉淀法和化学还原法合成了金纳米颗粒(NP)修饰的ZnSnO₃纳米立方体结构(AuNP@ZnSnO₃),通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)等表征手段对所合成的复合纳米结构进行了分析,并研究了基于该复合纳米材料的气体传感器对一氧化碳(CO)和甲烷(CH₄)气体的气敏特性。同时,以树莓派Zero 2W为主控模块,设计了集成实时显示、网页显示和数据记录等功能的传感器测试系统,用于测试所制备的气体传感器性能。测试结果表明,相比于ZnSnO₃气体传感器,所制备的AuNP@ZnSnO₃气体传感器表现出更优异的气敏性能。在最佳工作温度(240℃)下,其对体积分数均为1×10^-4的CO和CH₄气体响应度分别可达4.08和2.57,分别约为ZnSnO₃气体传感器响应度的1.59倍和1.71倍,并且具有较低的工作温度、良好的重复性以及长期稳定性。     

基于组合激光光源的双组分微量气体检测系统

CH₄和C₂H₂是变压器发生故障时两种重要的特征气体。为了实现对变压器中溶解的微量CH₄和C₂H₂气体含量检测的需求, 采用激光光声光谱气体检测技术, 通过分析CH₄和C₂H₂气体的近红外吸收谱线, 选取合适的激光光源并确定激光调制参数; 设计并搭建了一套以双激光光源和非共振光声池为核心的光声光谱微量CH₄和C₂H₂气体检测系统, 获得了系统对CH₄和C₂H₂气体检测灵敏度和低含量检测误差。结果表明, CH₄和C₂H₂气体分别在体积分数为0~1000×10-6和0~500×10-6的范围内具有良好的线性响应, 每10-6体积分数的检测响应度分别为5.8969μV和16.1831μV; 在低含量CH₄/C₂H₂混合气体对系统的重复性和精度测试中, CH₄气体体积分数为3.00×10-6时的检测最大绝对误差为0.30×10-6, C₂H₂气体体积分数为0.50×10-6时的检测最大绝对误差为0.20×10-6。此研究结果满足测量误差的技术指标要求, 实现了对微量CH₄和C₂H₂气体的高灵敏度检测。     

DSP主控型CO和CH4双路激光气体检测数据采集系统研制

通过精确检测CO和CH4两种气体浓度,对于煤矿企业安全生产和工业过程控制具有重要意义,TDLAS技术是一种实时高精度的气体检测方式,可用于CO和CH4双路气体检测.针对TDLAS型CO和CH4双路气体检测系统,本文设计了一种DSP型双路数据采集系统.激光信号被CO和CH4选频吸收后,光电二极管FD10D将光信号转换为电流信号,微弱电流信号经OPA2387搭建的前置放大电路转换为电压信号,由ADC芯片ADS8330进行数据采集,回传至DSP主控芯片TMS320C6748,处理完成的数据存储至FLASH芯片M25P16,最后将数据实时上传至上位机.经过测试,该系统可以稳定、准确地进行数据采集,并且适配于其他TDLAS型双路气体检测系统.     

基于NDIR的多组分危险气体在线监测系统设计

在冶金、石化、化工等工业领域生产过程中会产生大量易燃易爆、有毒有害的多组分危险气体(CO、CO₂、SO₂、NO、NH₃等),这些有害气体容易引发事故。而现有的在线测量预警系统不能满足高集成、低干扰、高灵敏的要求。本文针对影响检测结果的微弱信号、光源调制、气体信号交叉干扰、温度控制等因素,设计了相应的电路和算法,并进行了实验验证。实验结果表明,本文提出的基于锁相放大器电路的微弱信号提取技术、基于MOS管驱动电路的PWM波调制技术、基于融合算法的浓度反演模型,能够实现对五种危险气体(CO、CO₂、SO₂、NO、NH₃)的在线监测,检出限达到0.01%,避免了多种气体之间的交叉干扰,适用于工业生产危险气体在线分析及预警系统,具有广阔的应用前景。     

用于CO激光TDLAS型气体检测系统的光电检测电路研制

准确检测CO浓度对环境保护和安全生产具有重要的意义,TDLAS技术是一种高效、高精度的CO气体浓度检测方案。设计了一种用于CO激光TDLAS型气体检测系统的光电检测电路。CO气体选择性吸收由激光器发出的特定波长信号,而后光信号经过光电探测电路转换为有效的电压信号,运用TLC4545模数转换芯片进行数据采集,并将其发送到主控芯片STM32F105R8进行处理,使用W25Q128闪存完成对实验数据的存储,最后数据通过串口调试助手进行显示。经过实验表明,该电路可以实时、稳定、精确地将光信号转换为电信号,且灵活性强,可应用于其它气体检测系统。     

用于人体呼气检测中CH4气体检测的激光器温控系统设计

人体呼气检测是一种便捷有效的临床诊断手段,通过检测人体呼出气体中CH₄浓度能够实现消化科、内分泌科等领域的疾病的无损检测。使用TDLAS技术进行人体呼气检测是一种精确、便捷的检测方法。针对TDLAS型CH₄气体检测系统,本文设计了基于FPGA的激光器温控系统。系统选用XC6SLX25为主控芯片,主控制器通过模数转换芯片AD7691实时获取激光器的温度,将实际温度与设定温度进行数字PID运算后,改变数模转换电路输出的电压控制TEC驱动芯片AND8835实现对激光器温度的控制。经过试验测试,该温控系统可以高效、精确、快速的对激光器进行温度控制,控温精度达到±0.01℃。     

基于近红外吸收光谱技术的高精度CO2检测系统的研制

为了准确测量地震断裂带溢出的痕量CO₂气体浓度,文中采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术,选取波数4 978.202 cm-1作为CO₂检测系统的吸收谱线,采用有效光程为40 m的多通池,以STM32作为主控和数据处理核心器件,研制了高精度CO₂检测系统。针对系统中的探测器噪声与光学干涉条纹噪声,利用卡尔曼-小波分析算法滤波提升系统性能。实验表明,与滤波前相比,系统在50 ppmv CO₂浓度下的二次谐波信噪比提升了2.06倍。在不同CO₂浓度下(50、300、1 000、4 000、8 000 ppmv),系统误差为2.57%～2.66%。系统测量4 000 ppmv浓度下的CO2时检测精密度达到20.9 ppmv。利用Allan方差分析得出,积分时间在约61 s时对应的最低探测下限(MDL)为5.2 ppmv,实现了对CO₂气体的高精度测量。结果表明,所设计的高精度CO₂系统可以在气体检测领域为预测地震前兆提供良好前景。     

基于射频噪声源下的离轴积分腔输出光谱技术中腔镜反射率标定研究

离轴积分腔输出光谱技术具有实验装置简单、灵敏度高、响应时间快等特点,常被应用于一些超高灵敏度的气体探测领域。高反射率镜片作为系统的重要组成部分,其反射率是影响整个光谱系统测量准确性的重要因素之一。结合射频噪声源搭建了一套离轴积分腔输出光谱测量系统,首先以CH₄气体在6046.96 cm^-1处的吸收谱线作为研究目标,对不同压力下有无噪声源时的腔镜反射率进行了标定研究,结果表明在有无噪声源两种不同条件下标定的镜片反射率具有一致性,而且反射率随着压力的增加有降低的趋势,计算得到的镜片最高反射率约为0.99992。进而对有无噪声源时0.4μmol/mol浓度下的CH₄测量信号进行了研究,发现引入噪声源后,虽然降低了信号的峰值高度,但信噪比提高了约1.3倍,最小可检测浓度为0.0045μmol/mol,表明该系统可有效用于大气环境以及工业应用过程中的CH₄高灵敏度测量。     

基于可调谐CO2激光器的SF6差分光声检测研究

为了对电力场所SF₆气体浓度进行有效监测,采用光声光谱气体检测技术,基于波长可调谐CO₂激光器,设计了一套大气环境下的SF₆痕量气体检测系统,并提出一种差分光声光谱技术以提升光声系统的检测灵敏度。结果表明,所设计的SF₆气体检测光声系统的共振中心频率为1066Hz,品质因数为32.04,光声池常数为89.74Pa·m·W-1;利用单谱线光声法,在激光谱线10P12处检测SF₆气体的灵敏度为0.06×10-6（体积分数）;采用差分光声光谱气体技术后,在激光谱线10P12和10P16处3W强度调制光的照射下,光声系统的灵敏度提升到0.02×10-6（体积分数）。差分光声光谱技术能有效降低噪声影响,提升光声检测系统的灵敏度,具有一定的实用价值。     

1.65μm CH4低温吸收光谱特性研究

在CH₄吸收光谱参数运用于对地球大气以及外星球的遥感探测和模拟上,CH₄光谱参数的准确性十分重要,尤其是在低温情况下的光谱参数。HITRAN数据库中CH₄给出的低温情况下的参数并不完整,同时存在较大的误差.为了对1.65μm的CH₄低温吸收光谱进行测量,采用窄线宽的二极管激光器作为光源,结合自主设计的低温装置,测量了CH₄的低温吸收光谱特性,同时给出6039.70 cm^-1处CH₄的低温吸收光谱作为典型给以阐述,并对吸收谱线自展宽系数的温度依赖系数的测定方法进行了讨论。     

CH3NH3PbI3和CH3NH3MnI3的电子结构和光学性质研究

采用第一性原理计算,研究了有机金属卤化物钙钛矿CH₃NH₃PbI₃和CH₃NH₃MnI₃的电子结构、磁性和光吸收。CH₃NH₃PbI₃和CH₃NH₃MnI₃都是具有直接带隙半导体,CH₃NH₃MnI₃磁基态为G型反铁磁序(G-AFM)。CH₃NH₃MnI₃在G-AFM状态下的带隙值为1.668 eV;当系统处于FM态时,多数自旋通道的带隙为0.696 eV,少数自旋通道的带隙为2.148 eV。结果表明,具有FM态的CH₃NH₃MnI₃的光激发电子将迅速熔化局域磁序。最后计算了CH₃NH₃PbI₃和CH₃NH₃MnI₃的光学特性,结果表明具有铁磁态的CH₃NH₃MnI₃(FM)表现出较强的红外光吸收。     

采用VCSEL激光光源的TDLAS甲烷检测系统的研制

相比于使用DFB边发射激光器,采用VCSEL激光器作为检测光源的TDLAS激光气体检测系统,具有功耗低的优点。针对低功率下的TDLAS气体检测信号特点,结合VCSEL激光光源调制特性,自主开发了VCSEL激光器驱动模块、信号采集及处理模块,采用波长调制光谱(WMS)技术研制出了一套低功率甲烷(CH4)气体检测系统。选择了1653.7 nm附近CH4分子的吸收峰作为吸收谱线,采用锁相放大器提取二次谐波(2f)信号。实验研究了不同浓度的CH4检测的响应情况,记录2f信号的峰峰值并进行线性拟合,线性度为0.999 8。该检测系统在50~500 ppmv范围内,检测精度优于10%,检测下限为10 ppmv。对250 ppmv的CH4持续检测10 h,数值波动小于±2.4%。引入Allan偏差分析,初始积分时间为1 s时,Allan偏差为9.9 ppmv;积分时间达到359 s时,Allan偏差为0.06 ppmv,表征了系统良好的稳定度。     

光声光谱仪微弱信号检测电路的低噪声设计

光声光谱技术在变电站SF6气体分解产物,医疗诊断等场合的微量气体检测方面有着高灵敏度的特点。根据低噪声电子设计理论,设计了基于光声光谱探测技术的低噪声检测电路;从整个系统的角度出发,通过噪声模型对系统噪声和信噪比进行计算,对电路进行分析并使用集成运算放大器设计前置放大电路和信号调理电路。实验测试结果表明,该检测电路可稳定的将光谱仪的光声信号转换为电信号,电路信噪比高,可靠性高且稳定性高。     

快速腔长扫描光腔衰荡光谱仪及其中痕量气体测量中的应用

基于PZT快速腔长扫描技术和可调谐连续DFB激光器,搭建了一套快速腔长扫描光腔衰荡光谱探测装置,通过PZT快速腔长扫描实现激光单纵模与光腔纵模的模式匹配与破坏,以完成腔内光信号的独立衰减以及对此衰减过程快慢的测量。实验表明该装置不仅测量灵敏度高达10^-9量级,而且稳定性强,装置简单且易于操作。通过对CH₄气体在1653.72 nm 附近的吸收光谱测量,并用HITRAN数据库模拟校准,验证了该装置的定量测量能力。利用该装置通过固定激光波长测量吸收峰中心值方法对大气中CH4气体含量变化进行了探测。     

基于移动平台的便携式FTIR灾害现场气体检测技术

傅里叶红外光谱技术(FTIR)的引入极大地提升了气体的检测速度和准确性。然而在石油化工泄露和爆炸、森林火灾等突发危险现场,存在着人力无法现场检测的情况。为了应对这种场景,开发了基于移动平台的便携式FTIR灾害现场气体检测方法。通过将云服务器和树莓派的优势相结合实现远程操作移动平台,将搭载便携式FTIR光谱仪的移动平台远程操作驶入现场,并及时通过4G/5G模块传回现场位置数据、视频数据和光谱气体浓度数据。最后,在野外基地利用该平台进行了实测,对CO₂、CO、SO₂、C₆H₆等多种污染气体进行了检测,结果验证了该系统在野外工况下的可靠性。本工作为FTIR光谱仪或其他光谱类检测系统在移动平台上的集成应用提供了思路和解决方案。     

汽车尾气分析仪设计

随着汽车数量的不断增多,汽车尾气己成为空气污染的重要来源。文中设计了一种汽车尾气分析仪系统,实现了对汽车尾气中CO、HC、CO₂、O₂和NO含量的检测。设计采用部分信号调理电路,并应用Pspice电路仿真软件进行了电路仿真,仿真结果显示了调理电路的放大、滤波效果。能根据国家标准对相关参数进行处理,实现了各项测量数据的显示、判断、存档、查询、统计、标定等功能。     

变压器油中溶解一氧化碳气体的光纤传感技术

为了满足变压器中绝缘纸板因过热或者放电故障产生的一氧化碳气体的在线监测需求, 提出了一种基于光纤光声传感的油中溶解一氧化碳气体检测技术。采用光声光谱气体检测技术、并结合光纤传感和膜分离技术, 设计了集成油气分离和气体检测功能于一体的光纤光声传感探头, 油中溶解的一氧化碳气体通过油气分离膜进入到光纤探头中的微型气腔; 采用两根光纤将探头连接到解调仪器, 分别传输近红外激发光和探测光; 气体吸收光能产生的光声信号被光纤法布里-珀罗传感器探测, 并被设计的光纤光声解调模块进行信号处理, 获得系统对一氧化碳气体体积分数的检测灵敏度为0.345pm/10-6。结果表明, 所设计的光纤传感系统对油中溶解一氧化碳气体体积分数检出限达到5×10-6。该研究具有精度高、抗电磁干扰、脱气简单的优势, 为变压器油中溶解一氧化碳气体的检测提供了新方法。     

DFB LD在光声气体检测系统中的应用研究

针对选用分布反馈激光二极管(DFB LD)作为激励光源的光声气体检测系统,首先分析了温度和注入电流对激光稳定性(包括激射波长和输出光功率)的影响.然后提出了一种蝶形封装的DFB LD在光声甲烷检测系统中的应用方案.实验结果表明,该方案的温控系统和波长调制驱动模式可以产生稳定可靠的光声信号,具有一定的参考价值.最后根据现...