长光程共振式二氧化碳气体光声传感器研究

二氧化碳(CO_(2))是植物光合作用的原材料,也是一种温室气体,其过量地排放会影响动植物的生态环境。在碳达峰、碳中和的背景下,研制高灵敏度的CO_(2)检测装置具有重要意义。为了监测大气环境中CO_(2)含量的变化,设计了一种长光程共振式CO_(2)气体光声传感器,并以此搭建了光声检测装置。以中心波长为2004 nm的分布式反馈激光器(DFB)作为激发光源,激光射入由漫反射材料制成的球型吸收腔,在腔内多次反射以增加气体的吸收路径。吸收腔外部被两个高热传导率的铝制半球包裹,降低由池体吸收光能后产生的热噪声。吸收腔上耦合一根声学管,当其工作在一阶纵向共振模态时,光声信号被放大,在管子末端达到极大值。为了进一步增大光声信号,通过饱和加湿样品的方式来加快CO_(2)气体的弛豫速率,加湿后的样品产生的光声信号是干燥样品的2.1倍左右。使用一系列浓度的湿润CO_(2)样品标定光声检测装置,结果表明,光声信号与浓度之间呈现良好的线性关系。在此基础上,通过对标准气体的检测实验,验证了装置的准确性与稳定性。利用Allan方差评估装置在长时间工作下的检测灵敏度,当平均时间为865 s时,检测灵敏度为0.35×10^(-6)。与传统T型光声池相比,光程增加了约20倍,光声信号提升了约6倍。使用装置对室外环境中的CO_(2)进行了共10 h的检测,得到室外CO_(2)的平均浓度约为381×10^(-6)。综上所述,由于长光程、声共振以及加湿样品的有机结合,有效地增大了CO_(2)的光声信号,为气体光声传感器以及检测装置的设计提供了相关参考。

基于新型样品池的液体拉曼光谱增强方法研究

拉曼光谱技术在液体检测方面具有诸多优点,如多组分同时探测、非接触、检测周期短、分子指纹特性等,已成功用于多个领域的样品分析,但是较低的探测灵敏度制约了该技术的进一步发展。为了提高液体样品拉曼光谱探测灵敏度,文章报道了一种基于新型液体样品池的拉曼光谱增强方法。该方法在传统比色皿底端加入一个凹面反射镜,一方面可以使作用于样品后的激光再次反射聚焦重新作用于样品,另一方面凹面反射镜可以使拉曼光谱探测装置同时收集前向与后向拉曼散射信号,相较于传统拉曼光谱技术该方法可提高液体拉曼探测灵敏度。首先理论分析了影响拉曼散射强度的因素以及在非偏振光激发下拉曼散射信号强度与收集角度之间的关系,得出结论:当收集角度相较于光源传播方向为前向或后向时(即0°或180°)拉曼散射强度最大,为样品池的设计提供理论基础。进一步设计并制作了一种新型样品池,采用UV胶将镀银凹面反射镜(直径12.5 mm,焦距10 mm)与石英管(外径12 mm,壁厚1 mm,长度30 mm)粘合形成新型液体样品池。为了验证新型样品池的效果,搭建了785 nm拉曼探头装置并开展了相关实验研究,对三种典型的液体样品(75%乙醇、异丙醇、甲醇)进行探测并与传统比色皿的探测效果进行对比,结果表明:新型样品池对不同液体样品探测灵敏度均有明显的增强,增强因子近4倍。为了分析新型样品池制作方法的重复性,制作了3个样品池,实验对比了三个样品池的探测效果,并对其结果进行分析。为了验证该方法对低浓度样品的探测能力,对稀释20倍的75%乙醇溶液进行探测,利用新型样品池可获得样品的拉曼光谱信息,而传统拉曼光谱技术无法获得有效的拉曼信号。上述结果表明报道的新型样品池具有结构简单、适用范围广的优点,且可有效提高液体拉曼光谱探测灵敏度。

基于衬底集成空心波导的气体检测性能研究

由衬底集成空心波导(iHWG)与傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)结合组成的气体检测系统具有体积小、响应快、光路设计灵活、机械稳定性好等优点,能够用于污染气体实时在线检测。iHWG的几何参数如波导长度、横截面宽度和波导形状很大程度上影响了FTIR-iHWG系统的检测性能。基于空心波导的传输理论,理论分析了不同几何参数对iHWG传输特性的影响。以体积比浓度为100×10^(-6)的NO_(2)气体作为样本气体,设计了四种不同几何参数的iHWG,实验验证了理论分析的正确性。结果表明,同等条件下,横截面宽度越大的波导,其系统检测性能越高;对于不同形状的iHWG,直线型iHWG系统检测性能更好。此研究结果将为iHWG的进一步优化设计提供借鉴。

基于反谐振空芯光纤的甲烷气体检测

介绍了一种基于反谐振空芯光纤的甲烷气体检测装置,该装置选用中心波长为1653 nm的分布式反馈激光器结合1.8 m长的反谐振空芯光纤,采用可调谐二极管激光吸收光谱与波长调制光谱相结合的技术对甲烷气体进行实时测量。利用陶瓷插芯和陶瓷套管光纤耦合器件实现空芯光纤与单模光纤的稳定对接耦合,搭建了无透镜式全光纤气体检测装置,并对不同浓度梯度的甲烷气体展开实验。结果表明,二次谐波信号峰峰值与气体浓度之间呈良好的线性关系,线性相关系数为R^(2)=0.997。由波长调制技术反演得到的甲烷气体的体积分数精度为0.918×10^(-6),相对精度为1.3%。通过Allan方差评估系统的稳定性,当平均时间为66.8 s时,装置的最低探测灵敏度为13×10^(-9)。

基于自适应差分进化算法的LED光谱匹配

为实现用单色发光二极管(LED)合成所需要的各种目标光谱,提出将自适应差分进化算法作为光谱匹配算法。以高斯修正模型表征单色LED的分布,基于均匀分布的LED,模拟了标准AM1.5太阳光谱和植被光谱,并采用相关指数和均方根误差作为评价标准。在此基础上,利用实验室现有的LED进行了实验验证,所提算法的拟合效果均比模拟退火算法和遗传算法好。实验结果表明,提出的自适应差分进化算法可自动设置参数,拟合效果好,可以被广泛应用于各种LED光谱匹配仿真实验和工程实践中。

基于中红外LED的二氧化碳光声检测

气体检测在众多领域发挥着重要作用。光声光谱技术具有高灵敏度、响应快速等优点,广泛满足各种气体检测需求。基于光声光谱技术,以中心波长为4300 nm的中红外LED替代激光器作为二氧化碳气体的激发光源。结合长光程与声共振技术,研制了一种T型光声池,其吸收池内壁镀金,池体上耦合了一根声共振管。利用有限元仿真得到了光声池的一阶纵向共振模态及共振频率。为了实现LED光源的调制输出,设计了硬件驱动电路。基于上述工作,搭建了一套自动化流程的二氧化碳气体光声检测装置。实验结果表明,光声信号与样品浓度之间具有良好的线性度,噪声等效浓度(体积分数)为1.24×10^(-4)。使用Allan偏差评估装置的稳定性,当平均时间为200 s时,装置的检测灵敏度为1.8×10^(-5)。