基于支持向量回归的光声光谱信号温度和湿度校正方法北大核心CSCD

非共振光声光谱技术可用于在线检测变压器油中溶解气体,保障变压器安全运行。然而在室外环境下,背景信号易受到环境温度、湿度的影响,必须对这些因素进行校正,以提高仪器在线检测的稳定性和可靠性。背景信号的温度和湿度校正因子一般通过实验室测量得到,但测量过程中由于外部环境干扰,采集样本会出现较大波动,因此需要具有一定鲁棒性的回归算法计算校正因子。研究了基于支持向量回归的背景信号的温度和湿度校正方法,选择乙炔作为研究对象,在实验室内利用湿度发生器产生不同浓度水汽,同时利用温度传感器测量光声池温度,回归乙炔背景信号校正因子,并采用体积分数分别为0、5×10^(−6)和2×10^(−5)的乙炔和空气混合气体进行了验证。研究结果表明,对于体积分数为5×10^(−6)和2×10^(−5)的乙炔混合气体,所提方法和最小二乘法校正结果趋势相同,但最小二乘法校正信号存在趋势性偏离,而所提方法对背景信号校正具有更好的重复性和稳定性,优于最小二乘法。     

采用Ziegler-Nichols-PID算法的激光红外多通池压强控制系统研制

为了实现CO₂气体同位素的高性能检测,研制了高精度、高稳定性的激光红外多通池压强控制系统。硬件方面,采用压强传感器连接于多通池前、后端,检测多通池内部气压,主控制器通过PWM信号,调控多通池前、后端比例阀导通状态,从而实现压强的闭环控制。软件方面,采用Ziegier-Nichols工程整定方法,完成对 P 、 I 、 D 3个参数的确定。结果表明:多通池压强为60 Torr(1 Torr=133.322 Pa)时,控制精度为±0.04 Torr。试验中,利用研制的多通池压强控制系统对13CO₂、12CO₂气体分子在4.3 μm吸收光谱进行测量。随着气体压强从0.026~0.066 atm (1 atm= 101 325 Pa),13CO₂和12CO₂气体分子吸收光谱的峰值随着压强增大而增大,吸收光谱宽度也随着压强的增大而增大。同时,利用红外气体检测系统对CO₂同位素丰度进行长达2 h的测量。CO₂同位素丰度均值为?9.081‰,测量值在?8.351‰~?9.736‰之间波动,最大偏差值为0.73‰。可以证明:该系统为红外CO₂气体同位素的高性能检测提供可靠保障。     

用于激光气体同位素探测的多通池温度控制系统研制

采用激光吸收光谱法可实现气体同位素丰度的探测,由于待测气体吸收线的吸收系数会受待测气体温度的影响,将直接影响气体同位素检测系统的精准度和稳定度,文中设计并研制了一种高精度的多通池温度控制系统。硬件方面,采用高精度PT1000铂电阻温度采集电路与聚酰亚胺电热膜加热装置,构成了一个完整的闭环温度控制结构。软件方面,采用Ziegier-Nichols工程整定方法对比例、积分、微分三个系数完成整定。针对被控对象结构复杂响应较慢引起超调量大问题,采用积分分离比例-积分-微分控制算法,使温度控制快速且无超调。利用该系统进行温度控制实验,实验表明:温度控制范围为18~42℃,温度控制精度达到0.08℃,稳定时间位15 s,该系统具有精度高、响应快速、无超调的优点,为激光气体同位素探测提供了可靠保障。     

CH_3F与~(12)CO_2和~(13)CO_2分子之间的振动能量转移

我们采用Q开关的CO_2激光9.6μmP(20)支泵浦CH_3F分子的v_3振动模,以此作为能源来激发~(12)CO_2和~(13)CO_2分子的弯曲振动模v_2,研究其在非弹性碰撞过程中分子能量转移过程。我们用一种比红外荧光法(LIF)分辩率高一万倍的新方法——二极管激光探测法来得到~(12)CO_2、~(13)CO_2能级粒子数的演变过程。实验测得在1CO_2:1CH_3F气体比例下,从CH_3F的v_8振动模至CO_2的v_2振动模的V-V转移速率为3.3ms~(-1)Tcrr~(-1)。     

激光光声光谱法检测磷化氢气体浓度的研究

论述了光声光谱信号的产生。提出用光纤相位传感器代替传统的微音器检测光声信号。用CO_2激光器作光源对磷化氢(PH_3)气体浓度进行测量。实验表明,最低检测灵敏度可达1.2×10~(-10)。信号处理电路具有较强的抑制噪声干扰能力。该传感器及其系统在灵敏度、精度、响应时间等性能指标上达到了检测气体含量要求。     

LEO-LEO红外激光掩星CO_2浓度测量技术研究

利用基于近地轨道(LEO)卫星组网的红外激光掩星(LIO)技术,可对地球大气温室气体垂直廓线进行主动探测,为全球温室气体浓度廓线的测量提供新手段。介绍了基于LIO技术的大气温室气体浓度廓线的测量原理,针对最主要的温室气体CO_2建立了LIO信号链路模型,通过仿真分析了工作波数对CO_2探测精度的影响,并基于误差最小的仿真结果对CO_2探测波数进行优化选择。采用所选波数对LIO技术的探测性能进行分析,最终得到可用于CO_2浓度廓线探测的波数为4771.6215 cm~(-1)和4772.0240 cm~(-1)。在5～35 km高度的有效探测范围内,实现了0.6～1.4 km的垂直分辨率,CO_2浓度探测的相对随机误差小于0.8%,最小相对随机误差(0.229%)出现在10 km处。研究结果为星载LIO大气探测系统原理样机的设计提供了重要参考。     

可调谐二极管激光吸收光谱技术的应用研究进展

随着半导体激光器的发展,可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术有了巨大的进步,应用领域迅速扩大。已经有超过1000种TDLAS仪器应用于连续排放监测以及工业过程控制等领域,每年全球出售的TDLAS气体检测仪器占据了红外气体传感检测仪器总数的5%~10%。运用TDLAS技术,已经完成了几十种气体分子的高选择性、高灵敏度的连续在线测量,实现了不同领域气体浓度、温度、流速、压力等参数的高精度探测,为各领域的发展提供了重要的技术保障。本文综述了TDLAS技术气体检测的原理以及最近的应用研究进展,主要从大气环境监测、工业过程监测、深海溶解气体探测、人体呼吸气体测量、流场诊断以及液态水测量六个应用领域进行介绍。     

选频~(14)CO_2-~(12)CO_2同位素激光器

我们研制了一台~(14)CO_2-~(12)CO_2同位素激光器,测量到激光谱线80条,其中40条是~(14)CO_200°1-(10°0,02°0)_I带的激光跃迁谱线,强线输出功率达4.0W以上;实验还观察到同位素的竞争效应,发现即使~(14)CO_2成份低于~(12)CO_2,其激光辐射仍占优势.     

基于数字频率锁定技术实时探测实际大气中甲烷浓度

利用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术对气体进行长时间实时监测时,激光器波长的漂移会给测量精度造成较大的影响。为了消除这种影响,利用Lab-VIEW设计的数字比例积分微分(PID)算法和软件数字锁相,将激光频率锁定在待测气体的吸收峰上。采用1.653μm的分布式反馈(DFB)半导体激光器作为光源,结合100 m离散型Herriot吸收池,选择空气中的甲烷作为研究对象,对系统性能进行了测试和分析。结果表明,该系统可以将激光器稳定在±0.001 cm-1范围内,对激光器的漂移起到了很好的抑制作用。系统使用二次谐波测量时1 s积分时间内检测限约为1.8×10-8体积分数,可以满足环境空气中甲烷的长时间监测。该方法可以直接应用于其他痕量气体探测、燃烧诊断等领域。     

氧化钨纳米纤维的制备及其对H_2S的气敏特性北大核心

利用静电纺丝法制备了氧化钨(WO_3)纳米纤维。使用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对样品的物相结构和微观形貌进行表征。分析结果表明:制备的WO_3纳米纤维由众多纳米颗粒组装而成,且平均直径约为200 nm。同时,研究了基于WO_3纳米纤维的气体传感器对H_2S的气敏特性。实验结果表明:在工作温度为150℃时,该传感器对体积分数为2×10^(-5)的H_2S气体的响应达到72,响应时间和恢复时间分别为4 s和21 s,且检测极限为5×10^(-9),表明该传感器在低体积分数H_2S气体检测方面有实际应用价值。     

基于反应显微成像谱仪测定氮、氧同位素的方法研究

同位素在农业、医学、军工武器、能源环境等领域都发挥着重要作用,同位素的测定在其应用过程中尤为重要,本文给出了一种新的基于反应显微成像谱仪的同位素测定手段。氮和氧是构成空气主要成分氮气和氧气的基本元素,同时对于生物体的各项生命活动具有重要意义。由于氮、氧元素在自然界均具有稳定的同位素且存在显著的同位素效应,因此关于它们同位素的测定就非常重要。本文借助第三代反应谱仪即反应显微成像谱仪装置,选取氮气和氧气为靶气体开展电子碰撞实验,成功测定出氮和氧靶气体中的同位素,同时在结果中得到了和自然界中相同的同位素丰度比,验证了利用反应显微成像谱仪测定同位素的可靠性,能区分质量分数仅相差一的同位素也证明当前反应谱仪装置具备超高测量精度。     

基于变分模态分解算法的气体检测优化方法

在可燃冰开采钻井气体环境监测中,受制于开采井的尺寸和深度条件,传统的怀特池、赫里奥特池等长光程气室难以下井,因此难以通过增加光程的方式降低仪器最低探测体积分数。从信噪比角度出发,将变分模态分解(VMD)算法与Savitsky-Gorai(S-G)滤波算法相结合,对研制的甲烷-二氧化碳混合气体探测仪器中电子器件产生的高斯白噪声和光学器件产生的标准具噪声进行降噪处理,降低仪器最低探测体积分数。以甲烷气体为例,首先进行二次谐波仿真实验,与传统的经验模态分解(EMD)算法相比,基于VMD的滤波算法在信噪比提升和信号自适应等方面具有优势,在仪器最低探测体积分数方面有了较高的改善。在40 cm吸收光程下,系统的信噪比为21.7 dB,线性相关系数为0.9940,最低探测体积分数可达6.7×10~(-6),为实现可燃冰海上开采气体环境实时精确监测打下了坚实的基础。     

硝酸盐传感器在深海压力下的校准方法

研究表明,海水中溴化物的紫外吸收光谱受到深海压力的影响会影响海水中硝酸盐的测量准确度。现有的水下硝酸盐传感器已暴露出测量误差大,环境适应性差、无法应用于2 000 m以下的深海探测等问题。因此,为了更准确地计算硝酸盐浓度,有必要开展深海压力对海水紫外吸收光谱的校正研究。实验室对模拟深海压力环境中的硝酸盐进行测试试验,提出了两种算法用来矫正压力下的紫外光谱,通过实验验证了这两种压力校正算法对硝酸盐计算的预测准确性。结果表明,多元散射校正-偏最小二乘法回归校正算法具有最好的测量效果,R²为0.997,平均绝对误差(MAE)为1.294μmol/L,平均偏差误差(MBE)为0.037μmol/L。     

基于LabVIEW的气体高分辨率光谱探测系统

搭建了一套基于LabVIEW的实时、在线气体高分辨率光谱探测系统,采用离轴入射腔增强吸收光谱技术,将外腔式二极管激光器(ECDL)作为激光光源,实现了粗细两种扫描方式的光谱测量,获得了CO2分子在6358.65cm-1处的弱吸收谱峰、吸收光谱强度、线宽与气体浓度的关系,采用该吸收峰使整个系统的最小探测灵敏度达1.1×10-6 cm-1。在波数为6450～6530cm-1范围内,所获得的CO2分子振动转动光谱与模拟结果基本一致。实验结果表明该系统不仅可行,而且具有较高的探测灵敏度和光谱精度,能满足气体不同光谱的探测需求。     

基于直射太阳光红外吸收光谱技术的大气中CH4柱浓度遥测研究

为了研究甲烷气体柱浓度探测方法,文中介绍了一种基于直射太阳光红外吸收光谱技术的遥测系统,并利用该系统在合肥地区进行了连续观测。从太阳吸收光谱中实时测量了整层大气透过率;采用逐线积分方法模拟计算了整层大气透过率;基于非线性最小二乘光谱反演算法从实测整层大气透过率中反演了甲烷气体柱浓度和氧气柱浓度,并以氧气柱浓度为内标函数获得了甲烷干空气柱体积混合比,精密度优于2%。将本系统测量的2012年9月25日12时到15时CH4干空气柱体积混合比均值与此时段过境本站点区域的日本温室气体卫星的CH4观测结果进行了比较,两者偏差小于1%。可见,该系统和方法是一种有效的甲烷气体柱浓度探测系统和方法,具有较高精度。     

基于非合作目标激光气体遥测仪的设计开发与应用研究

激光气体遥测作为本征安全气体探测方法,可进行实时在线、非接触、远距离探测,具有独特的优势。基于非合作目标设计和开发一款具有完全自主知识产权的便携、轻巧、可实用化的手持式激光甲烷气体遥测仪,其温控芯片采用WTC3243,控温精度可达0.01℃,收发一体光学遥测组件采用平行光轴设计。通过标准气体比对测试,结果表明测量相对误差在±5%范围之内,测量综合偏差为293×10^-6 m,遥测仪测量值与标准积分浓度值之间的拟合优度达0.999。经过不同遥测距离测试,结果表明遥测距离可达20 m,且系统具有不同遥测距离测量的一致性。通过甲烷泄漏气团实际环境模拟测试,结果表明设计与开发的该手持式激光甲烷气体遥测仪完全可用于实际燃气管道等场所甲烷气体泄漏的实时在线、非接触、远距离遥测,且满足测量要求。     

基于近前向光散射法的气溶胶浓度测量北大核心CSCD

基于近前向光散射法,实现了多分散亚微米级气溶胶的浓度测量。测量装置采用卤钨灯作为光源,整形后的环状光束被会聚至待测气体处,散射光经透镜收集后,由光电探测器进行探测,分析探测光强度的变化,从而反演出被测气溶胶的浓度。实验结果表明,该测量方法的探测灵敏度能够达到10^(-4)μg·L^(-1),线性响应范围覆盖了6个数量级。该方法可应用于核工业、医药、微电子等领域。     

用于化学探测的中红外竖腔表面发射激光器

中红外光学技术为微量化学制品的探测提供了一个有吸引力的解决途径。很久以来铅盐半导体激光器一直被应用在这方面。不同频率生成被用于周期接通的铌酸锂连续波发射器以测量H_2O(在2.7μm处),CH_4(在3.4μm处),H_2CO(在3.5μm处),CO_2(在4.3μm处)和CO(在4.6μm处)的强吸收谱线以及用于其它中红外示踪气体光谱测量的脉冲光学参量振荡器。在2μm～5μm范围的其它气体包括N_2O,HCl,HBr和OCS,还有一些目前在近红外波长探测的气体,在它们的基本跃迁谱线处被非常强烈地吸收(例如CO_2)。更小型的、耐用的、廉价的中红外光源将是适用于便携式探测系统的理想光源。     

天然气管道泄漏激光遥感探测系统的研制及标定方法

基于地形后向散射和谐波探测原理,设计并建立了一套天然气管道泄漏激光遥感探测系统,并基于此平台实现了探测距离在120 m,对体积分数为0.308%的模拟天然气泄漏源进行远距离遥感探测,并对空气中痕量甲烷气体进行了测量,系统的最小探测灵敏度约为3×10-5m;同时研究了不同散射体的反射效率tρot对实验的影响,提出并实验验证了新的积分浓度标定方法的可行性,其实验结果能够满足实际探测需要。     

基于TDLAS-WMS的甲烷泄漏遥测系统研制

针对甲烷气体泄漏高精度、非接触和远距离探测的需求，提出一种基于TDLAS-WMS的甲烷泄漏遥测系统。该系统采用高级精简指令集机器(ARM)和现场可编程门阵列(FPGA)双核架构，FPGA实现数字锁相解调提取一次谐波(1f)和二次谐波(2f)信号，ARM通过串行外设接口(SPI)实时接收FPGA解调的1f、2f信号并传送至Labview进行谐波信号分析和甲烷浓度在线解调。通过2f/1f信号处理技术消除光强与靶标反射系数的变化对系统测量结果的影响。研究同等实验条件下0～90 m范围内谐波信号与探测距离的关系，结果表明，2f/1f信号处理技术对噪声抑制效果显著。测量不同积分浓度的谐波信号，采用最小二乘法对2f/1f和气体积分浓度数据进行线性拟合，获得系统标定线性度，为0.9966。对系统误差进行实验测量和分析，在0～2000×10^-6 m范围内，系统测量最大相对误差为-3.66%，最小为-0.23%。利用1500×10^-6 m甲烷浓度的二次谐波信号评估系统的检测下限为70.5×10^-6 m。结果表明，设计和研制的甲烷泄漏遥测系...