基于STM32H7A3的频分复用型TDLAS激光驱动系统研制

随着气候变化问题日渐凸显,习近平主席作出了碳达峰、碳中和的重要指示,因此对二氧化碳检测的研究具有重要的意义。针对二氧化碳和水汽同时检测的需要,本文设计了一种频分复用型TDLAS激光驱动系统。系统采用STM32H7A3作为主控器,利用其内部高级定时器和多通道DAC产生多路幅值频率可调的电压信号,搭配外部V-I转换电路和光纤合束器研制出频分复用型TDLAS激光驱动系统。系统配备FLASH存储芯片和对应的上位机软件,具有灵活设置系统参数、存储加载控制数据并且在断电时保护数据不丢失的功能。经过测试,该系统输出的电流信号波形稳定,频率误差小,可应用于TDLAS系统进行多个激光器的同时驱动。

基于TDLAS技术的甲烷气体泄漏成像检测

传统的甲烷气体泄漏检测方法主要以单点测量和红外热成像为主。前者由于测量点密度小且气体易于流动,很难确定泄漏点;后者根据气体云团与周围环境温度差异检测成像,温差较小时,成像对比度低、分辨力弱。根据以上局限性,提出一种甲烷气体泄漏成像检测技术。该技术结合TDLAS(Tunable diode laser absorption spectroscopy)遥测技术与激光主动成像方法对气体泄漏区域进行主动探测,然后采用SSIM(Structural Similarity)与混合高斯背景建模法相结合的算法对气体泄漏区域进行提取,实现对甲烷气体泄漏气团的成像检测。实验中对甲烷气体在不同泄漏流量、不同视频记录长度、不同环境下进行了检测。实验表明,该技术可实现对甲烷气体泄漏的主动成像检测,并且成像清晰、检测率高、实时性好、可准确呈现气体泄漏点。

TDLAS气体激光遥测高灵敏光电探测电路设计

针对气体激光遥测光信号微弱、环境因素干扰强等特点,结合波长调制技术,设计和研究了用于TDLAS激光遥测的高灵敏度光电探测电路(Highly Sensitive Photoelectric Detection Circuit,HSPDC)。基于波长调制技术,确定了TDLAS信号噪声抑制方法;采用光电二极管理想模型,分析了光电探测电路的线性响应特性并确定了光电二极管的关键参数;基于级联放大原理设计、仿真并对HSPDC进行测试。结果表明:所设计HSPDC的光功率检测下限为0.11 nW,信号衰减仅为0.79 dB(f=10 kHz),截止频率较现有108 V/A跨阻放大电路高一个数量级,可用于高速调制微弱光信号的探测。搭建了气体激光遥测系统,当调制频率为3 kHz时,激光遥测系统获得了良好的检测性能,检测灵敏度达到88.66 mV/ppm,检测限优于0.565 ppm,线性拟合度R2为0.9996。研究表明,研制的HSPDC光电探测电路具有响应速度快、检测灵敏度高等优点,可集成化,能满足气体激光遥测应用需求。

TDLAS在森林可燃物热解气体多组分同步测量中的应用分析

森林可燃物热解的研究,对森林火灾预警和控制具有重要意义。森林可燃物热解过程中主要生成CO、 CO_(2)和CH_(4)等含碳气体,这些气体的不断释放容易引发森林火灾并加剧温室效应,快速准确检测这三种组分的浓度有利于火灾早期预警和大气环境保护。通过频分复用结合可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术准确测量了六种山林树种样品热解气体中CO、 CO_(2)和CH_(4)三种组分的浓度,证明了频分复用-TDLAS技术对森林可燃物热解气体多组分同步测量的适用性。首先,介绍了频分复用-TDLAS技术的基本原理,确定了三种组分互不干扰、且谱线强度适宜的吸收谱线。其次,为了准确反演不同的浓度,对二次谐波(2f)信号和二次谐波/直流(2f/DC)信号的特性进行了研究。通过Simulink仿真的方式,比较了利用2f信号和2f/DC信号反演不同浓度准确性的差异,结果表明2f/DC信号具有更大的线性区间,适用于森林可燃物热解气体中不同浓度组分的测量。最后,利用两支中心波长分别为1 580.0和1 653.7 nm的分布式反馈(DFB)激光器搭建了CO、 CO_(2)和CH_(4)同步测量的实验装置。在900℃管式炉中对六种树种样品进行热解以及热解气体制备,利用Herriott吸收池测量了三种组分的2f/DC信号,通过标准气体建立标定模型获得了热解气体中三种组分的绝对浓度。结果显示,三种组分的2f/DC信号峰值与浓度满足良好的线性关系,线性度大于0.995,且在焦炭气化反应和Boundouard反应的作用下,六种树种样品热解气体中CO浓度明显高于CO_(2)和CH_(4)。通过分析枫香叶样品的光谱,表明在2 s测量时间内,该光谱系统对于CO、 CO_(2)和CH_(4)的最低检测限低于0.008%,灵敏度优于0.005%,满足森林火灾预警的需求。该研究为森林可燃物热解气体多组分同步测量以及森林火灾预警提供了方法参考。

基于TDLAS技术气体浓度测量的温度修正方法

精确检测气体浓度在大气环境保护、工业生产控制、废气排放监测等领域有着迫切需求。可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)是实现气体浓度精确检测的重要方法,然而温度变化却为浓度精确测量带来较大误差,因而对检测结果进行温度修正是十分必要的。本文从理论角度出发,阐述了TDLAS技术检测气体浓度的温度影响机理,重点分析并归纳了基于TDLAS技术的气体浓度测量的温度影响修正方法,并展望了其发展趋势。

基于TDLAS的H_(2)S气体材料表面吸附特性研究

在H_(2)S气体浓度在线监测过程中,因其具有粘附性强的特点,容易发生管线吸附,从而导致测量结果存在偏差,尤其在痕量H_(2)S检测过程中表现最为明显,所以开展H_(2)S气体管线材料表面吸附特性研究尤为必要。本文基于可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS),设计并搭建了一套H_(2)S浓度在线测定系统,并对该系统进行了测量性能检验,在此基础上进行了H_(2)S在不锈钢材料表面常温吸附特性探究。实验结果表明,所搭建H_(2)S浓度在线测定系统具有稳定性强、检测限低和灵敏度高的特点,利用此系统可以实现痕量H_(2)S浓度的在线连续测定。经过一系列探究试验,证明了H_(2)S在不锈钢材料表面存在明显且稳定的吸附作用,得出了H_(2)S在不锈钢材料表面的单位面积吸附量在10^(14)(个/cm^(2))量级。实验结果可以为痕量硫化氢在线精准测量提供一定参考。

新型云定位TDLAS技术激光甲烷测量平台

目的石油与天然气在生产、存储、运输等过程中进行甲烷的动态监测与预警十分关键,现有的激光甲烷测量装置在测量甲烷体积分数时无法同时对其进行定位,研究设计了一种新型云定位激光甲烷测量平台以解决此问题。方法首先分析了激光甲烷检测及其定位原理,然后利用调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术完成新型云定位激光甲烷测量平台的软硬件设计,最后对测量平台进行了甲烷标气测试和定位现场测试。结果测量平台对不同柱密度值的甲烷标准气体测量的最大相对误差为3.6%,重复性相对标准偏差小于1.88%,经度和纬度最大误差分别为1″和2″,有效监测距离为150 m。结论新型云定位激光甲烷测量平台具有较好的准确性和稳定性,可以应用于燃气安全现场巡检。

基于TDLAS技术的井下多组分气体浓度监测(特邀)

采用可调谐半导体激光吸收光谱技术分析了气体浓度与谐波强度之间的关系,并设计了多组分气体长距离输送系统对矿山有害气体进行远程实时监控,实现千米外对矿井环境内多种气体的实时浓度监测。在理论推导的基础上,对矿井中可能出现的一氧化碳气体(CO)、二氧化碳气体(CO_(2))、甲烷气体(CH_4)和乙烯气体(C_(2)H_4)四种气体进行了标定,获得了浓度标定曲线及检测下限,检测下限均可达到10^(-4)以下。对甲烷气体标定得到的线性相关系数R达到0.99554,检测下限为2.2×10^(-6),探测的稳定度为0.137%。在矿井应用中,长时间监测结果与矿方所拥有的气体检测系统检测到的数据变化趋势一致,随机抽取样本与第三方检测结果误差在5%以内。该多组分气体监测系统具有准确度高、监测限低和稳定性好等优点,可为矿山气体安全提供可靠的数据支持。

基于TDLAS的天然气泄漏范围重构方法

可调谐半导体激光光谱(TDLAS)技术因其灵出色的灵敏度、精度和抗干扰性的特性,现已被广泛应用于场站天然气泄漏的监测工作。为克服单台TDLAS激光遥测仪无法获得泄漏气体扩散影响范围的局限性,本文提出了一种基于多台TDLAS遥测仪协同的智能监测方法,通过在不同斜平面内对泄漏气团进行扫查,依据Brianchon定理获得不同斜平面内气体泄漏的外轮廓方程,重构天然气的三维空间泄漏影响区域,实时开展监测与预警。

基于TDLAS的H_(2)S高温反应特性实验研究

电站锅炉在低NO_(x)燃烧过程中因锅炉内还原性气氛浓度较高,会产生较多H_(2)S气体。针对H_(2)S因具有易燃、强腐蚀性、剧毒性而可能对火电厂造成多种危害的问题,采用可调谐二极管激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)方法结合多通池和计算机搭建低气体摩尔分数在线测量系统,实现了对混合气体中摩尔分数在10–6量级H_(2)S的精确在线测量,并利用该测量系统进行了H_(2)S高温反应实验,探究实验温度和混合气体中O_(2)摩尔分数对该反应的影响。实验结果展示了压力为80 kPa、O_(2)摩尔分数为0~5%的条件下,H_(2)S开始发生化学反应的温度随O_(2)摩尔分数变化的变化规律,整体而言,混合气体中O_(2)摩尔分数越高,H_(2)S开始发生化学反应的温度越低。实验结果可以为锅炉烟气中H_(2)S的生成、转化和危害控制提供一定数据基础。

用于TDLAS气体检测的DFB激光器驱动电路设计

分布反馈(DFB)激光器作为可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的常用光源之一,在实际应用中应当同时对驱动电流和温度进行控制,以减小出光质量对气体浓度检测结果的影响。为了解决上述问题,文中设计一种高精度激光器驱动电路。由STM32F103RCT6控制AD9834和DAC8560分别产生正弦波和锯齿波信号,对两个信号输入至OP27GS构成的信号叠加电路进行叠加后,输出至由OP27GS、AD8065和IRF520场效应管组成的具有限流功能的压控恒流源电路,将电压信号转变为激光器的驱动电流;同时采用MAX1978温控芯片对激光器进行温度控制。实际测试结果表明,压控恒流源输出电流的最大误差为0.1%,DFB激光器的温度稳定度为0.072%,温度控制精度优于0.01℃。使用3000 ppm的甲烷标准气体进行吸收测试,通过示波器检测光电探测器和锁相放大器的输出波形,可得到稳定的吸收峰和二次谐波,说明所设计电路满足TDLAS检测技术对于DFB激光器驱动的要求。

基于中红外TDLAS的SF_(6)、H_(2)S背景下SO_(2)浓度检测

选择1300~1400cm-1波段作为SO_(2)检测波段,搭建了基于TDLAS技术的实验平台,采用纯SF6与5、25、50μL/L H_(2)S作为背景源,检测获取不同浓度SO_(2)的二次谐波峰值平均值。实验结果表明,在纯SF_(6)背景下,SO_(2)浓度与二次谐波峰值平均值的拟合优度为0.997,不同浓度SO_(2)实验气体验证拟合曲线最大误差为0.653μL/L。在5、25、50μL/L H_(2)S背景下,不同浓度SO_(2)实验气体验证拟合曲线最大误差分别为0.724μL/L、0.821μL/L、1.225μL/L,同时SO_(2)浓度与二次谐波峰值平均值的拟合优度分别达到0.997、0.996、0.995。

用于TDLAS的半导体激光器温度控制系统设计

由于TDLAS(可调谐激光吸收光谱)技术中半导体激光器工作温度直接影响气体浓度检测准确度。为实现气体浓度高精密检测,采用多级积分分离PID控制算法设计了一种用于TDLAS的半导体激光器温度控制系统。实验结果表明,多级积分分离PID控制算法在提高温度控制系统响应速度、提高系统精度和稳定性、减小超调等方面具有优势。温度控制系统在10℃~40℃温控范围内,温控精度优于±0.03℃,并在148 s内达到设定温度,温控超调量小于2.5%,设计满足TDLAS气体浓度检测要求,为实现气体浓度高精密检测奠定了基础。

基于TDLAS光谱检测原理的变压器油溶乙炔气体自动化监测技术

为判断变压器故障类型以及故障的严重程度,保障变压器安全稳定运行,该文提出基于TDLAS光谱检测原理的变压器油溶乙炔气体自动化监测技术。利用分布反馈式(DBF)激光器发射激光信号,通过锁相放大器完成波长调制提取二次谐波信号,经主控模块反演计算获取变压器油溶乙炔气体浓度监测结果并传输至上位机。实验结果显示,该技术的乙炔气体浓度监测精度高、稳定性好,变压器油溶乙炔气体浓度监测优势显著。

基于TDLAS技术的HF气体检测技术研究

氟化氢(HF)气体是一种有毒有害的气体,具有非常强的吸湿性,可以无限溶于水,从而形成具有强腐蚀性的氢氟酸。现有的HF气体检测方法,在实际使用中存在响应速度慢、检测精度低、易受温度和湿度等环境因素的影响。对比国内外先进的检测方法,提出近红外TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱)检测的技术方案。分析待测气体最强吸收谱线,吸收光程和电路信噪比对精度的影响,优化设计系统,提出HF气体检测系统解决方案,实现HF气体测量。数据分析表明,HF检测下限达到0.01μL/L。

基于TDLAS技术的海底管道天然气组分监测系统应用研究

首先列举分析了国内外常见水露点监测设备的优缺点,同时结合TDLAS技术优势进行改进,自主研发了基于TDLAS技术的海底管道输送天然气水露点在线实时监检测系统,该系统能实时在线监测CO_(2)、H_(2)S、CH_(4)、H_(2)O含量及水露点值,并且通过与海上平台取样检测结果相比较,误差在3%范围之内。该系统为海洋石油平台天然气管线的腐蚀评估评价工作以及保障海底管道安全运行提供了一种新的“解题”思路及技术方式。

基于TDLAS技术的矿井气体监测系统

在矿井作业中,准确监测和控制有毒、有害及可燃气体的浓度,对于矿工安全作业至关重要。提出一种基于TDLAS技术的矿井气体监测系统,该系统由激光发射单元、光谱分析单元、数据采集与处理单元以及预警与控制单元组成。利用TDLAS技术高选择性和高灵敏度的优势,对特定气体分子的吸收光谱进行精确测量,从而实现对矿井内多种气体组分的快速、准确识别和量化。通过现场测试,该系统能够在复杂的矿井环境中稳定运行,实时监测甲烷、一氧化碳、乙烯等关键气体指标,并通过数据分析及时发出预警信号。

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NH_3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。

数字滤波方法在TDLAS逃逸氨检测中的选用

介绍了可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)原理和实验系统,并对系统噪声进行了分析;以体积比浓度为90×10-6和30×10-6的NH3为例,利用TDLAS系统采集了该浓度气体的二次谐波原始光谱。为改善光谱信号,分别用五种数字滤波方法对原始光谱进行了滤波处理比较,做了NH3的浓度梯度实验并对浓度为20×10-6 NH3进行了长时间监测实验。实验结果表明,算术平均-小波变换滤波相比其他方法更有效地对原始光谱信号进行了改善,提高了系统信噪比和信号平滑度,使系统浓度检测限由原来的10×10-6降低到1.25×10-6,信噪比提高了约14倍,为逃逸氨极低浓度检测提供了一种较为有效的数据预处理方法。

TDLAS测量甲烷/空气预混平面火焰温度和H_2O浓度

基于可调谐二极管激光器吸收光谱技术（YDLAS）建立了温度和H2O浓度测量系统，利用光谱数据库Hitran2004在1393nm附近选择了在500～1300K有很高测温灵敏度的两条水吸收线：7168．437cm^-1，7185．597cm^-1。在1kHz的扫描频率下，利用直接吸收-扫描波长法对甲烷／空气预混平面火焰进行测量，并进行边界层修正，与热电偶的对比结果显示，在温度区间1100～1350K，两者最大相差80K（6．7％）；水蒸气组分浓度与计算值平均相差小于0．02（10％）．