应用单一超窄线宽激光器的多气体检测系统设计

应用超窄线宽半导体激光器的波长扫描和光谱调制技术,设计了一种高精度多组分气体实时在线检测系统.系统采用单一超窄线宽可调谐半导体激光器作为光源,设计了新型串联式气室结构减小横向空间、增加光程长,并通过三角波信号对光源光谱进行调制;结合时分复用和空分复用技术,利用超窄线宽激光的特性实现了CO,CO2,CH4多组分气体浓度的...     

基于衰荡腔技术的传感器设计与计算机分析

文中将痕量气体测量中衰荡腔技术引入到了SPR传感器中,提高了性能。理论上分析了衰荡腔光路及出射光强与衰荡腔扫描速度间的关系。分析发现:设计的新方法相对于直接测量SPR归一化光强的方法可以显著提高灵敏度,降低检出限。通过改变可调谐激光器的输入波长,并利用衰荡时间信号反馈调节可调掺铒光纤放大器放大,可以在保证灵敏度条件下追踪SPR吸收峰变化,因此兼具波长解调型SPR系统动态范围广,适应性强的优点。     

基于电流扫描波长响应函数直接确定正弦波扫描波长调制光谱中DFB激光器的相对波长响应

为了研究适用于描述正弦波扫描波长调制光谱中相对波长响应的方法,提高正弦波扫描测量气体浓度的准确性,对现有的描述激光器相对波长响应的方法进行了讨论。首先,分析现有的几种描述激光器波长响应的方法是否适用于正弦波扫描。然后,比较由不同方法模拟的相对波长响应和实测的激光器波长响应残差,残差越小说明激光器波长响应越准确。最后,用确定的准确快捷的方法测量二氧化碳气体浓度。实验结果表明,由电流扫描波长响应(CSWR)直接确定相对波长响应(RWR)的方法描述激光器的波长响应更准确。将得到的相对波长响应与通过标准具实测的结果进行比较,二者残差的标准偏差小于5×10-3 cm-1。利用该方法结合多光程池技术和免定标波长调制技术,能够准确测量二氧化碳的气体浓度。     

自混合干涉模型中的参数分析和实验研究

针对含有光反馈的半导体激光器,在外腔波动的条件下,研究了半导体激光器的自混合干涉系统模型中的重要参数,通过计算机仿真分析,讨论了线宽展宽因子和反馈水平因子两个参数的变化对光反馈自混合干涉信号波形的影响规律.同时给出了利用自混合干涉测量外腔物体位移的一种实验方法,并进行了相应的实验研究.该位移测量系统的分辨率可达无光反馈存在情况下激光器波长的一半.     

甲烷多通道远程无源光纤传感检测系统

基于气体在吸收峰波长下对光的吸收随浓度变化的原理,研制了一种多通道.多点测量远程无源光纤传感甲烷检测系统,根据甲烷的吸收峰对应的波长选择分布反馈式半导体激光器作为光源.远程无源传感保证了传感探头现场的安全性,能应用于传统传感器不能应用的场合.经实际检测应用表明,该系统具有很高的精度和稳定性.     

基于光谱吸收的光纤气体传感器光源波长稳定控制技术

采用具有高精度电流注入模块和温度控制模块的分布反馈式半导体激光二极管作为光纤气体传感器的光源,基于气体吸收和谐波检测理论,分析了当光源输出光谱中心波长位于气体分子吸收峰不同位置时,所产生的谐波具有不同的特征.通过时这些特征进行检测并反馈给光源的温度控制模块,可以稳定光源的输出波长,使其与气体分子吸收峰对齐,从而提高测量性能.试验表明该方法对于波长稳定有很好的控制效果.     

全光波长转换实验研究

对基于光纤光栅外腔半导体激光器增益饱和效应的全光波长转换器的静态与动态特性进行了实验研究。为消除反馈光与转换信号输出光对光源的不利影响及提高光输入、输出信号耦合效率,提出了采用环形器进行信号耦合的光学结构。进行了155MB/s信号的动态波长转换实验。     

绝对光谱辐照度仪的波长定标

为了提高太阳绝对光谱辐照度仪的波长定标精度,提出了用线阵CCD作为位置传感器进行波长定标的方案,完成了0.4～1.0μm波长的定标.根据仪器的安装结构和Fèry棱镜的参数,描述了波长与CCD像元的对应关系,制定了定标与计算方法,并介绍了器件的选型及线阵CCD的时序驱动和输出信号的处理.在室内波长定标中,利用可调谐激光器作为光源,确定了CCD像元与中心波长的对应关系,并通过光谱扫描进行了验证.在室外开展了太阳观测实验,并与可见-短波红外光谱仪做了对比.实验结果表明,波长定位精度优于0.5 nm,测量的光谱曲线吸收峰与大气典型吸收谱线吻合,同时验证了波长定标方案的可行性与CCD电子学设计的合理性.     

基于半导体激光器的乙炔气体光声光谱检测及其定量分析

油中溶解乙炔是变压器等油浸式电气设备早期放电性故障的重要特征气体。基于半导体激光器的光声光谱传感技术具有灵敏度高,选择性好等优点,能很好地应用于微弱气体检测中。论文构建了基于分布反馈半导体激光器光声光谱检测装置,并分析了光声池的特性参数;实验研究了光声信号与激光功率、乙炔气体浓度之间的关系;并借助激光器的波长调制特性,研究了乙炔分子在近红外区第一泛音带1.5μm附近的光声光谱;提出了一种基于最小二乘回归的光声光谱定量分析方法。理论和实验结果为乙炔的光声光谱在线检测及高灵敏度可调谐光声光谱仪的设计提供了参考。     

中红外大气甲烷乙烷双组分气体的同步移动监测

为了实现大范围、长距离的大气烷烃气体检测,将研制的中红外双组分甲烷、乙烷传感器以车载方式,对某一地区的大气甲、乙烷含量进行了移动探测。该传感器系统采用中红外室温连续的带间级联激光器(ICL)作为光源,采用高速数据采集卡采集信号,利用上位机LabVIEW平台编写程序产生激光器扫描及调制信号、获取探测器信号并提取二次谐波,通过计算,确定大气烷烃气体浓度。根据气体采样时间、实时风速及车速,计算得到系统的响应时间为82.5s,实验测量为85~95s,与理论一致。对系统噪声水平进行测试,实验室中甲烷浓度波动为±40nL/L,乙烷波动为±2nL/L,车载过程甲烷浓度波动为+40至-80nL/L,乙烷波动为±4nL/L。为验证传感器性能,与美国Aeries公司的商用传感器结果做了对比,二者呈现较好的一致性。最后,给出了车载传感器系统在某条线路上的甲烷、乙烷浓度移动探测结果,以及某小区甲烷、乙烷浓度的二维分布测绘结果,分析了二种烷烃气体的变化关系。本文所开展的工作为探测烷烃气体泄漏并监测大气质量提供了技术保障。     

控制半导体激光器的高稳定度数字化驱动电源的设计

以TMS320F28335为控制核心,设计了一种用于驱动半导体激光器的数控电流源。电源的外围电路包括指示灯模块、语音模块、LCD模块以及键盘控制模块。语音与指示灯模块负责系统工作状态提示,LCD负责显示实际电流以及目标电流,键盘模块负责电源的启动、关闭、电流设置、电流步进等操作。电路设计中利用深度负反馈原理来提高系统的稳定度,设计了双MOS管进一步减小漏电流引起的偏差(小于0.5%),优化了电压—电流线性度;软件设计中采用了PID算法缩短了系统的动态平衡时间;系统具有完备的保护措施,如防上电/断电冲击保护电路、延时软启动电路、过流保护电路以及纹波抑制电路,保证了激光器稳定可靠地工作。在激光器的驱动测试过程中,激光器工作状态稳定,中心波长未出现漂移,驱动电流无毛刺出现。     

基于TDLAS烟道气在线检测系统的降噪技术

可调谐激光光谱（TDLAS）技术利用激光管的波长扫描实现痕量气体吸收曲线的二次谐波检测,具有响应时间短、检测灵敏度高、精度高等优点。但实际应用条件分析结果表明,烟道气在线检测中存在外界环境和系统本身引入的噪声。为了实现TDLAS检测方法的高精度、高灵敏度等优势,本文提出在检测系统中加入温度反馈,以减少高温环境带来的干扰,设计并采用双光路扣除背景,消除颗粒物及背景吸收干扰以及采用对激光管驱动电流进行高频调制来抑制系统噪声等3条主要的降噪途径。理论分析表明,这些措施可以降低环境干扰及系统噪声影响,有效提高检测精度。     

Increasing the scanning speed of scanning tunnelling microscopes

The scanning speed and quality of images obtained with a scanning tunnelling microscope can be increased by replacing the tunnelling tip holder with an active, high resonance frequency piezoelectric positioner. The combination tip holder and positioner has a resonance frequency near 100 kHz, allowing fast closed-loop feedback control of the STM. With appropriate electronic shielding, the active tip holder can also be used to modulate the tip to surface distance at high frequencies for work function mapping. The high speed positioner is complemented by a ‘tip-saver’ circuit which senses imminent tip-surface contact, preventing tip crashes. The circuit, when driving the fast positioner, has a response time of under 20 μs and is not subject to the oscillation problems normally associated with closed-loop feedback systems operated at high gains and large signal bandwidths.     

高灵敏度腔增强吸收式乙炔气体检测系统

基于超窄线宽激光特性和光源波长扫描技术,构建了高灵敏度腔增强吸收式乙炔气体检测系统。该系统采用超窄线宽可调谐半导体激光器作光源,使用两块高反射率平凹透镜组成的光学谐振腔作吸收池,通过扫描腔长使入射激光频率与谐振腔模式相匹配,利用激光失谐技术快速断开入射激光,从而实现对微量乙炔气体浓度的衰荡测量。利用腔增强吸收技术测得了激光衰荡时间和6 518.824 cm^-1附近的乙炔弱吸收光谱并进行了分析。结果表明,乙炔气体浓度线性相关系数优于0.999,最大相对误差小于2.5%,极限检测灵敏度为2×10^-6;逐次充入一定体积的乙炔气体,动态响应时间均小于10 s。该检测系统精确度好、灵敏度高,具有较好的动态响应特性,可用于电力变压器故障气体实时在线监测。     

双电机后驱车辆操纵稳定性分层混杂模型预测控制

为改善车辆在复杂工况下的操纵稳定性,解决低附着路面易失稳的问题,针对后驱双电机轮边驱动电动汽车提出一种结合直接横摆控制与主动转向控制的操纵稳定性控制策略。控制策略采用分层控制结构：上层控制器采用多输入多输出系统的模型预测控制,对目标附加横摆力矩与前轮主动转向角进行求解;下层转矩分配控制器采用混杂模型预测控制（hMPC）,将轮胎纵向力的非线性特征简化为分段的混杂系统,在分配驱动转矩时考虑车轮在不同工况下的滑转情况。搭建了基于dSPACE实时仿真系统的仿真平台,在高附着、低附着路面下进行半实物仿真试验。仿真结果表明,与二次规划（QP）转矩分配算法相比,高附着路面工况下平均相对误差减小了17.64%,方均根误差减小了42.86%,最大偏离误差相对减少了7.64%;低附着路面工况下可以有效防止车辆失稳,改善操纵稳定性。     

Direct yaw moment control for distributed drive electric vehicle handling performance improvement

For a distributed drive electric vehicle (DDEV) driven by four in-wheel motors, advanced vehicle dynamic control methods can be realized easily because motors can be controlled independently, quickly and precisely. And direct yaw-moment control (DYC) has been widely studied and applied to vehicle stability control. Good vehicle handling performance: quick yaw rate transient response, small overshoot, high steady yaw rate gain, etc, is required by drivers under normal conditions, which is less concerned, however. Based on the hierarchical control methodology, a novel control system using direct yaw moment control for improving handling performance of a distributed drive electric vehicle especially under normal driving conditions has been proposed. The upper-loop control system consists of two parts: a state feedback controller, which aims to realize the ideal transient response of yaw rate, with a vehicle sideslip angle observer; and a steering wheel angle feedforward controller designed to achieve a desired yaw rate steady gain. Under the restriction of the effect of poles and zeros in the closed-loop transfer function on the system response and the capacity of in-wheel motors, the integrated time and absolute error (ITAE) function is utilized as the cost function in the optimal control to calculate the ideal eigen frequency and damper coefficient of the system and obtain optimal feedback matrix and feedforward matrix. Simulations and experiments with a DDEV under multiple maneuvers are carried out and show the effectiveness of the proposed method: yaw rate rising time is reduced, steady yaw rate gain is increased, vehicle steering characteristic is close to neutral steer and drivers burdens are also reduced. The control system improves vehicle handling performance under normal conditions in both transient and steady response. State feedback control instead of model following control is introduced in the control system so that the sense of control intervention to drivers is relieved.     

分布式电动汽车附加横摆力矩研究

为提高分布式电动汽车在高速转向工况下的稳定性,针对分布式双电机后驱系统进行转矩分配研究。根据横摆力矩得到汽车转向时左右驱动轮驱动力矩,再对横摆角速度、质心侧偏角与附加横摆力矩关系加以分析,得到横摆角速度误差值及质心侧偏角误差值,并以两个误差值为双输入,附加横摆力矩为单输出,进行模糊控制,并对附加转矩施加至左右驱动轮的方式进行判断。利用Carsim软件与Matlab/Simulink软件联合仿真对结果进行验证,结果表明:经过模糊控制及输入判断的附加横摆力矩施加到驱动轮后,使得分布式电动汽车在高速转向工况下拥有良好的稳定性。     

基于PLC和伺服电机的某星载滑环跑合台控制系统设计

滑环是卫星太阳电池阵驱动机构中的关键部件,为保证某星载滑环长时间工作稳定性,需要通过跑合台对滑环进行仿真跑合试验。已有跑合台工作方式不灵活、无法自动报警停机,亟需研制一种新型星载滑环跑合台。利用FX2N作为中央控制处理器集中控制整个系统的启动、运行,配合使用低速、高精度、低成本的交流伺服电机,完成跑合台控制系统设计。运用组态软件INSPEC设计监控系统,显示实时参数,存储跑合数据,实现故障自动停机。经现场运行,系统工作稳定可靠,满足设计要求。文中对该控制系统的硬件组成、系统功能、实时监控的实现均做了具体分析。     

基于降阶观测器的四轮转向车辆随动操纵瞬态稳定性分析

对复杂的四轮转向车辆控制系统数学模型进行分析，考虑在实际车辆中质心侧偏角等量难以直接测量，提出一种基于降阶观测器的四轮转向车辆随动操纵最优控制策略，以车辆转向时的质心侧偏角和横摆角速度等为被控制量，应用最优控制理论设计反馈控制系统进行高速行驶下的瞬态操纵动态仿真，结果表明，基于降阶观测器的系统状态向量能很好地跟踪驾驶员发出的操纵指令，车辆瞬态操纵稳定性和安全性得到有效提高。