基于光谱吸收和荧光检测技术的新型光纤气体传感系统(英文)

设计了一个完整的光纤气体测量系统,提高了检测SO2浓度精确度和读取时间。光路检测系统和分配系统相结合,用于实现在气体传感系统中光谱吸收检测技术和荧光检测技术的有效集成,从而可以扩大本仪器的应用领域和测量范围。光源调制锁定检测技术和双光路差检测技术也被结合在该系统中。在测量吸收光信号和荧光信号中,使用高精度空心光子带隙光纤传感探头,实现了较高的精度和灵敏度。实验数据和测量的结果表明,该系统具有较高的分辨率,大约为2 ppm,并且误差小于0.109。     

光纤甲烷气体传感器的研究

基于甲烷气体近红外吸收的机理,研究了一种高灵敏度易于实现的光纤甲烷气体传感器。分析了半导体激光器的调制特性和谐波检测的基本原理,建立了传感器的数学模型。系统采用分布反馈式半导体激光器做光源,气室采用小型渐变折射率透镜构成的气室,加入参考光路和参考气室,使光源输出的中心波长锁定在气体的吸收峰上,通过光源调制实现气体浓度的谐波检测,给出了甲烷气体测量的实验结果。     

多通道光纤可燃气体监测系统的研究

采用可调谐激光吸收光谱(TDLAS)技术和光分路技术,实现了多通道光纤可燃气体监测系统 的 研制。系统中,监测仪部分采用分离式设计,无源传感探头和有源仪表之间通过光纤连接, 含有浓度信息的光信号通过光纤传输到仪表进行处理。传感探头仅由气室和光纤组成,不带 有任何电路,可以保证探头的本质安全性和抗电磁干扰能力。设计了乘法解调电路,以解决 光纤传输产生的相位延时,而导致测量结果偏差的问题。测试结果表明,本文系统能够实现 现场非电、远程、长期在线和分布式气体浓度监测预警预报,且检测结果不受光纤 长度变化的影响,在工业标准的100最低爆炸极限(LEL)测量范围内能 够正确检测CH₄气体浓度值,检测灵敏度为0.1LEL。     

一氧化碳检测与排放回收综合控制系统的设计

为了设计一种CO气体检测与排放回收综合控制系统,采用可调谐半导体激光吸收光谱技术,利用单片机MC9S12DG128B作为核心控制器产生激光调制信号,通过采集经气体吸收后的光功率和2次谐波信号来分析气体浓度,把气体浓度信息上传到工控机进行实时监控。结果表明,CO激光检测气体灵敏度高、选择性强、响应速度快、能连续分析和抗干扰性能好,满足工业现场的要求。     

FTIR监测浙江地区空气中C_2H_2和C_2H_6及其相关分析

使用多次反射池FTIR系统在2010年12月对浙江地区两种挥发性气体乙炔（C_2H_2）和乙烷（C_2H_6）进行了监测,通过对测量气体的吸收光谱进行光谱定量分析,获取了这两种组分的浓度信息,并分析了它们的相关性。研究结果表明,该测量系统能以非接触的方式对空气中多种气体进行在线监测,及时反应测量区域内浓度信息。     

基于线性滤波解调系统的GPRS数据传输系统研究

基于线性滤波器的解调系统是根据参考光路和滤波光路的比值改变来判断外界温度值的改变。实验中,通过对线性滤波器进行恒温控制消除了外界温度变化对其透过率的影响。对采集到的光信号进行光电转换并由AD采集模块进行采集,最后由在线监测系统经GPRS网络对两路光的比值及监测环境的图像或视频信息进行无线传输,将采集到的信息传输到主站上位机进行数据及图像信息显示和处理,从而实现解调系统对特殊环境下温度的远程实时在线监测。     

基于FPGA数字相位调制光外差激光稳频系统设计

为了实现中心波长为1064nm的单频光纤激光器的稳频,采用相位调制光外差（PDH）激光稳频技术,搭建稳频系统光路。分析了相位调制光外差稳频信号以及误差信号特征;设计基于现场可编程门阵列（FPGA）的数字式解调和反馈控制电路,在FPGA中实现对相位调制光外差稳频信号的数字解调,再经数模转换器输出获得误差信号。结果表明,在FPGA中能成功实现对相位调制光外差信号的解调,经Allan方差计算,频率漂移的方差值可达10-11,即所设计的数字系统实现了较高的稳频精度。     

基于激光吸收光谱多点瓦斯监测技术的研究

研究了可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术在煤矿多点瓦斯监测中的应用.分析讨论了基于光谱吸收原理的多点瓦斯实时监测系统的设计方案,TDLAS技术、分布式光纤传感技术和时分复用的信号检测技术相结合,实现多点气体浓度的光学传感.提出了在光路中嵌入标定池的方法来反演浓度.通过不同浓度的瓦斯气体对系统性能进行了测试,检测限低于60×10-6.研究表明系统方案可行,该技术具有实时、连续、非接触快速检测的特点,能够满足矿井瓦斯多点安全监测要求.关键诃: 激光吸收光谱;光纤传感技术;瓦斯;时分复用     

FTIR监测浙江地区空气中C2H2和C2H6及其相关分析

使用多次反射池FTIR系统在2010年12月对浙江地区两种挥发性气体乙炔（C2H2）和乙烷(C2H6）进行了监测,通过对测量气体的吸收光谱进行光谱定量分析,获取了这两种组分的浓度信息,并分析了它们的相关性。研究结果表明,该测量系统能以非接触的方式对空气中多种气体进行在线监测,及时反应测量区域内浓度信息。     

基于气体吸收光谱的新型激光测距技术仿真研究

提出了一种基于气体吸收光谱的新型激光测距技术,将携带气体吸收光谱信息的参考光信号和测量光信号混频,利用傅里叶变换提取光程差,从而得出距离信息.根据推导的测距原理设计了基于激光甲烷遥测仪的测距系统,通过Matlab软件对测距过程进行了仿真分析.仿真结果验证了新型气体激光测距技术的可行性,为开发激光气体雷达指出了有意义的探索方向.     

波长调制光谱检测下限计算方法的研究

在基于波长调制光谱技术的大气痕量气体检测下限计算方法的研究中,全面准确地描述吸收信号及噪声的大小极为重要。为了探讨半导体二极管激光器在进行波长直接调制时伴随产生的残余振幅调制噪声对检测下限的影响,在理论推导中采用了一种同时考虑波长和振幅调制的二次谐波信号分析及提取方法,以二次谐波信号峰谷差值作为系统的检测信号,对可调谐二极管激光器吸收光谱检测系统的信噪比和检测下限进行了理论分析,取得了洛伦兹吸收线型条件下残余振幅调制噪声对系统信噪比和检测下限的影响的精确计算数据。结果表明,在吸收线的线宽较大的检测条件下,残余振幅调制噪声是影响检测下限的重要因素。     

基于免校准波长调制的多光程吸收光谱

为了研究免校准波长调制光谱技术对激光光强变化及外界干扰的免疫能力, 采用基于免校准波长调制技术的多光程吸收光谱, 以乙炔为测量目标, 进行了理论分析和实验验证。结果表明, 不同激光功率下得到的波长调制二次谐波信号幅值发生明显变化, 但通过免校准的方法得到的信号变化较小, 且受气流影响、部分遮光、系统振动等外界干扰影响较小; 采用免校准方法实验得到的体积分数在5×10-6 ~9×10-5范围内的光谱信号拥有较好的线性度, 相关系数达0.9997;采用Allan方差分析得到该实验系统的最小探测极限可达1.2×10-8。免校准波长调制光谱技术能较好地避免光强抖动、气流干扰、系统振动等干扰, 从而提高系统稳定性和探测灵敏度。     

剩余振幅调制对波长调制光谱信号线型的影响

在基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的痕量气体检测中,波长直接调制时剩余振幅调制也会伴随发生,并对检测信号的线型和系统噪声产生严重影响。为了探讨剩余振幅调制对波长调制光谱二次谐波信号线型的影响,采用同时考虑振幅调制和波长调制两种影响因素的计算方法,理论分析出二次谐波信号的计算公式,与仅考虑波长调制的信号计算方式进行同条件线型计算比对,取得了二次谐波信号基线和正负峰值随剩余振幅调制的变化数据。结果表明,剩余振幅调制的大小对检测信号的线型和信号基线有直接影响,采用这种方法计算得出的二次谐波信号线型更贴近实际检测。     

TDLAS技术气体检测二次谐波信号的仿真与分析

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术结合半导体激光器可调谐的特点及气体分子对特定波长能量光的吸收特性,凭借灵敏度高、响应时间短等优势广泛应用于气体浓度检测。TDLAS技术气体浓度检测包括波长调制、气体吸收、二次谐波解调等环节,吸收信号的二次谐波分量携带气体浓度信息,用于计算气体浓度。利用MATLAB对气体检测过程进行了信号仿真,并利用数字锁相放大算法提取了二次谐波信号,验证了二次谐波与气体浓度的关系。通过仿真分析了二次谐波信号随调制系数的变化关系,以便确定较佳的调制参数,为后续系统搭建与气体检测实验提供参考。     

谐波小波在TDLAS 信号分析中的应用

波长调制谱技术（WMS）在慢扫描信号基础上叠加上高频的调制电流,并加到半导体激光器的驱动电流上,于是激光频率在线性扫描的同时受交流调制。频率调制的激光束在通过吸收气体以后,其吸收线的强度也受到相同频率调制。采用谐波小波方法作为数据解调的手段,对WMS技术产生的信号进行处理并实现了2f信号的提取。采用这种方法对波数为7185.6 cm-1的水蒸气谱线进行测量实验,调制频率达到180kHz,对数据进行谐波小波处理后获得了高质量的2f信号,该2f 信号的峰值中心辨识度高,其数据光滑度、信号的抗干扰能力方面均优于数字锁相方法。     

利用数字锁相放大器进行谐波探测的实验研究

利用数字锁相放大器处理光谱信号的高次谐波,并实现了计算机对锁相放大器的控制。通过对Ｃｓ原子Ｄ２线的谐波探测,研究结果表明：锁相放大器用于探测气体的高次谐波（高于二次）的直接吸收光谱,可以得到较常见的二次谐波探测更高的信噪比。     

基于TDLAS的气体检测技术算法

可调谐二极管激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS）技术是一种具有高灵敏度、高分辨率的气体吸收光谱检测技术,具有响应快、精度高、单模特性优秀、通用性强等优势。TDLAS直接吸收法通过测量绝对吸收强度来计算待测气体温度和浓度,但容易受到颗粒物浓度、激光强度波动等影响。TDLAS波长调制法采用高频正弦信号对激光器进行调制,使得激光输出频率和强度同时受到调制,具有高信噪比和灵敏度的特点,但是需要通过标定实验或复杂的算法来确定气体参数。因此,通过吸收光谱理论和波长调制理论,推导出蕴含分子吸收信息的谐波通项表达式,并在此基础上分析谐波信号与待测气体绝对吸收强度之间的关系,建立了一种基于谐波信号的绝对吸收强度测量算法。以NH3分子在1 531 nm附近的谱线为例进行数值分析,发现调制幅度达到a=0.032 cm-1（调制系数m=2）时,仿真结果与理论计算结果（a=0）相对误差不超过2%,进一步验证了算法的可靠性与准确性。     

基于谐波检测原理的双光路CH4检测研究

基于谐波检测原理,研究了一种高灵敏度易于实现的近红外光谱吸收型光纤CH4气体传感器.系统采用分布反馈式(DFB)LD做光源,通过光源调制实现气体浓度的谐波检测,加入参考光路和参考气室,利用2个二次谐波的比值作为系统输出,消除了光源波动和光路干扰的影响,建立了传感器的数学模型,给出了CH4气体测量系统的实验结果,实验表明,该仪器的检测灵敏度可以达到1×10-4.     

基于谐波的红外激光调制光谱特性研究

基于谐波检测的调制光谱技术可以实现气体浓度的高灵敏检测,而最佳分析性能的实现依赖于系统调制参数的优化。研究了基于谐波的红外激光调制光谱信号特征,分析了调制参数与谐波特性的对应关系,针对典型的红外半导体激光光谱气体检测系统开展了实验研究与验证分析,获取了不同调制信号电压的谐波信号特征,分析确定了系统最佳调制参数。