基于TDLAS技术的N_2O气体检测系统设计

基于红外光谱吸收及谐波检测原理,讨论了谐波信号和气体浓度关系,搭建了基于可调谐激光吸收光谱技术的气体检测系统。该系统采用低频锯齿波和高频正弦波联合调制激光器,并由锁相放大电路提取一次谐波和二次谐波信号幅值,以STM32F103VB控制器为核心,进行数据处理与数据上传,实现对0~0.1%浓度范围氧化亚氮(N_2O)气体实时测量。首先,介绍了系统的总体设计与核心结构,包括系统的硬件结构与软件结构;并进行了系统的标定和性能测试,结果表明二次谐波和一次谐波信号幅值比与浓度具有良好的线性关系,检测精度可达20×10~(-6),满足对N_2O气体实时监测的需求。     

基于TDLS的光谱吸收型CO_2传感器仿真与实验研究

文中采用可调谐半导体激光器光谱吸收技术(TDLS),针对激光调制参数设置问题,建立CO_2气体光谱吸收理论模型,分析光谱吸收后产生基波、二次谐波信号与气体浓度的关系。使用Simulink进行仿真,研究激光器调谐系数对谐波强度的影响,并优化了实验系统的设计参数。通过搭建CO_2检测系统,进行气体浓度定标测试,得到气体浓度与谐波强度的关系,采用叠加平均和积分的方法处理检测信号,使系统性能得到显著提高。由此实现了CO_2气体高精度检测,为谐波检测技术的实际应用提供了参考。     

光纤多气体检测系统的研究

采用光纤光栅波分复用技术,通过光纤光栅和压电陶瓷对LED进行波长调制,获得与气体吸收峰对应的窄带反射出射光,检测二次谐波,实现多气体浓度检测.建立了谐波检测的数学模型,进行了C2H2和CO测量系统的研究.     

基于谐波检测技术的多点光纤乙炔气体传感器

基于乙炔气体近红外吸收的机理,研究了一种以DFB LD为光源的高灵敏度光谱吸收型乙炔气体多点检测系统.采用光源调制实现气体浓度的谐波检测,利用二次谐波与一次谐波的比值来消除光路干扰.采用空分复用技术实现多点气体浓度的检测,使多个传感器共用一个光源,降低了成本.建立了谐波检测的数学模型,给出了乙炔气体的测量结果.测试结果表明:系统灵敏度和稳定性高,重复性好,适应性强.     

光谱吸收型光纤多气体传感系统

基于气体的近红外吸收机理，研究了一种可以检测多种气体的全光纤传感方法，采用光纤光栅波分复用技术．通过光纤光栅和压电陶瓷（PZT）对宽带光源LED进行波长调制，获得与相应气体吸收峰相对应的窄带反射出射光，检测二次谐波，实现对多种气体的较高灵敏度测量。利用二次谐波与光纤光栅透射光强的比值来消除光路干扰。建立了谐波检测的数学模型，进行了光纤C2H2和CO气体测量系统的实验研究。     

光纤瓦斯气体检测中锁相放大器的设计应用

由于仪器主要用于油田、煤矿等工作环境相对恶劣的地方,其工作电压不稳定,另外根据近红外光谱的特点,对传统的锁相放大器进行了改进,设计了一种适合瓦斯气体浓度检测中的锁相放大器。系统采用微处理器控制、反馈调整、扫描技术、相敏检测技术等,通过软件控制,自动调节参考信号相位,使输出信号幅度达到最优,并通过积分器进一步提高信噪比,从而能够从强噪声信号中精确的提取出光谱信号,此外还对在气体检测中普遍使用的谐波检测方法进行了实验研究,取得了良好效果。     

基于NDIR的汽车尾气检测系统设计

为实现对汽车尾气中的CO2,CO,HC的测量,介绍了非分光红外技术的工作原理,提出了基于此技术的便携式汽车尾气检测系统的设计方案。经实验结果证明,系统具有测量精度高、稳定性好和便于携带的特点,能够满足气体浓度测量分析的需求。     

基于二次谐波检测技术的智能瓦斯监测系统

提出了一种基于光谱吸收原理的瓦斯检测方法,即二次谐波检测法.在瓦斯检测过程中,一次谐波作为误差反馈信号,将光源的波长精确的锁定在瓦斯气体的吸收峰值上,二次谐波信号用于检测气体浓度,利用二次谐波和一次谐波的比值来消除由于光源的不稳定和变化等所引起的检测误差,提高了瓦斯检测系统的可靠性,减少了安全隐患,在一定程度上,避免了矿井事故的发生.     

湿度和SF_6在石英增强光声光谱中对CO分子弛豫率的影响

为了研究六氟化硫(SF_6)气体分子和水汽(H_2O)对一氧化碳(CO)气体分子的弛豫率的影响,建立了一个基于石英增强光声光谱(QEPAS)技术的痕量气体传感器系统。采用1.57μm的近红外分布式反馈二极管激光器作为激励光源,并对不同SF_6和H_2O气体浓度下的CO的光声信号进行对比研究。首先用CO传感器系统探测CO与N_2的气体混合物中CO的光声信号,然后在CO与N_2气体混合物中加入不同浓度的SF_6气体,分别探测不同浓度SF_6气体下的CO光声信号强度。最后在CO与N_2的气体混合物中加入不同浓度H_2O,探测加入H_2O后的CO的光声信号强度。实验结果表明随着CO和N_2气体混合物中SF_6气体浓度的增加,CO的光声信号幅值几乎没有变化,而在混合物中加入2.5%的H_2O后,发现CO的光声信号提高了约5倍。因此,SF_6对CO气体的弛豫率没有明显的影响,然而H_2O的添加能够有效缩短CO气体的弛豫时间。     

可调谐激光吸收光谱学检测甲烷浓度的新方案研究

基于可调谐二极管激光吸收光谱的光纤气体传感器检测气体浓度,具有灵敏度高、选择性好、响应时间快等优点。目前报导的基于二次谐波的气体浓度检测系统,普遍采用一次、二次谐波幅值之比作为系统输出,消除光强波动的影响。研究中分析了二次谐波检测方案的特点与不足,提出利用一次谐波检测甲烷的浓度,以一次谐波峰峰值与平均值的比值作为系统输出,系统结构简单,并可抑制光源波长漂移和扫描步长等因素对系统检测精度的影响。实验结果表明甲烷的浓度与系统输出值之间具有很好的线性关系,其线性拟合系数为0.999,系统的分辨率和检测精度分别为20×10-6和100×10-6。     

傅里叶变换红外光谱学方法用于气体定量分析

本文将傅里叶变换红外光谱学方法运用到CO和CO2气体的定量分析中，通过红外光谱仪系统测量得到待测气体的红外透过率光谱，采用非线性最小二乘拟合算法基于红外标准数据库HITRAN中的CO和CO2气体光谱数据分别对测量得到的光谱进行拟合，得出待测气体的浓度。对于密闭样品池CO透过率光谱测量分析结果的相对误差小于5％；对于近距离大气开放光路CO2透过率光谱测量分析的相对误差小于1％，实验结果表明基于FTIR方法进行气体浓度信息的定量分析是可行的。     

差分式中红外一氧化碳检测仪的研制

根据CO分子在中红外波段的吸收特性,利用红外热辐射光源(IR55)和双通道热释电探测器(LM244),研制了一种差分式CO检测仪。通过双通道锁相放大器对探测器输出的两路信号进行处理,有效地抑制了系统噪声,提高了仪器的检测精度。介绍了系统的检测原理,给出了光学系统和双通道锁相放大器的实现方案,该锁相放大器能提取的最小标准信号幅度为1 m V,移相误差小于0.2%。利用配备的体积分数为0~1×10~(-3)的CO样品,开展了气体检测实验。实验结果表明:系统的检测下限为1×10~(-5),相对测量误差小于15%。当气体体积分数为0×10~(-6)时,测得浓度的波动范围为-5.2×10~(-6)~6.2×10~(-6)。考虑静态配气时气体在气室中扩散的时间,仪器的响应时间约为58~62 s。同基于量子级联激光器和分布反馈激光器的CO检测仪相比,所研制的仪器具有结构简单、性价比高等优势,在煤矿、环保等场合的CO检测方面具有较好的应用前景。     

基于信号奇异性的气体泄漏快速检测方法

文中提出一种基于信号奇异性的气体泄漏快速检测方法,利用小波变换分析信号的奇异点和奇异度,提取奇异度参数与气体浓度的对应关系,进而快速检测泄漏和估计气体浓度值。对一个微热板式气体传感器对不同泄漏浓度CO气体响应的实验数据分析处理,结果表明该方法能够抑制传感器基线漂移的影响,大幅度提高气体浓度的估计速度和实时性。     

基于BP神经网络的矿井一氧化碳检测方法研究

文章采用热催化传感器和电化学式气体传感器的配合使用，为了解决两种传感器对矿井一氧化碳和甲烷气体的“交叉敏感”问题，提出了一种基于BP神经网络技术的传感器系统。研究了采用两种传感器组成的多传感器阵列与BP神经网络相结合来实现一氧化碳气体浓度精确检测的方法。实验证明，利用基于BP神经网络的多传感器阵列模型，能有效的提高对井下一氧化碳气体的测量精度。     

混合气体的光电检测系统

利用光吸收原理设计气体检测系统.为提高系统的灵敏度和准确度,设计用于提供光源的4 mA激励源电路、高响应的对比解调电路和三级放大加数字闭环的调理电路等硬件,开发数字滤波器、驱动程序和混合气体检测分析的软件系统,利用70 ppm的氨气与40 ppm的硫化氢混合气体进行检测实验.实验数据显示电压分辨率为10 mV,相对标准...     

基于NDIR方法的机动车排放气体传感器

针对机动车尾气成分检测中存在的各种问题,根据不分光红外(NDIR)方法的基本原理设计了新的测量方案。传感器同时测得了CO、CO2、HC化合物3种气体的浓度,并以数字信号方式通过串行口输出测量结果,避免了传输过程中的干扰,可以很方便地应用到具有串口的各种数字处理设备中。用标准气体对传感器进行了实验标定,其结果表明传感器测量精度达到国家标准要求。     

非色散红外气体传感器稳态扩散高斯分布浓度校正方法

流程工业中气体浓度测量至关重要。非色散红外传感器是一种基于不同气体对红外光吸收强度差异性测量气体浓度的传感器,气体浓度测量精度高,广泛用于流程工业中CO₂和N₂O气体浓度测量。非色散红外传感器内气体不均匀扩散使气体浓度测量会产生原理性误差,需要得到气体在传感器气室内达到稳态扩散时间降低浓度测量误差,提高测量精度。本文提出一种非色散红外传感器高斯分布扩散模型预测气体稳态扩散时间计算方法,14组不同条件下CO₂和N₂O的仿真实验得到本文提出高斯扩散模型的拟合度分别为0.82和0.80,验证所提出高斯模型预测气体稳态扩散时间的鲁棒性。本文所提方法非色散红外传感器浓度测量不均匀扩散产生误差补偿提供保障。     

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。     

变压器油中气体拉曼光谱检测及信号处理方法

准确检测变压器油中溶解故障特征气体是诊断变压器运行状态的重要技术手段之一。论文基于拉曼光谱和腔长调制频率锁定原理,搭建了变压器故障特征气体频率锁定腔增强拉曼光检测平台,实现了H_2、CH_4、C_2H_2、C_2H_4、C_2H_6、CO、CO_2等七种故障特征气体的同时检测;1atm时,H_2、CH_4、C_2H_2、C_2H_4、C_2H_6、CO、CO_2的最小检测浓度实验值分别达到106、25、45、73、41、170、126(ppm)。频率锁定增强腔技术使最小检测浓度提高了约68倍。运用小波模极大值法对H_2的拉曼光谱检测信号进行了去噪处理,提出了基于包络线迭代法的光谱基线校正方法,校正后的光谱荧光背景残留减少,使气体拉曼光谱检测准确度提高了约2.95%,为变压器油中溶解故障气体同时准确检测提出了一种新方法。     

Novel Gas Concentration Measurements based on Harmonic Detection and a Broadband Light Source

The determination of gas concentration based on harmonic detection was studied theoretically and experimentally. The principle of second harmonic detection technology based on a broadband light source and the impact of modulation parameters on the harmonic signals were analyzed theoretically. The principles of multiple modulation were analyzed in order to improve the detection resolution. A fiber Bragg grating bonded to a carbon fiber cantilever was designed to achieve wavelength modulation. The impact of the modulation frequency and voltage amplitude on the second harmonic signals were studied experimentally. The output of the detector and the impact of the random noise were analyzed at different modulation frequencies and amplitudes. The optimum frequency and amplitude were determined to be 40 Hz and 2 V. The measurement of acetylene was carried out using this system. The results show that the gas measurement limit was 500 ppm, the stability was 3.92%, and the system sensitivity was 1 µV/ppm.