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。

口罩颗粒物泄漏率测试仪的校准方法

口罩是预防呼吸道传染病的重要防护用品,确保口罩颗粒物泄漏率测试仪的计量准确性对于控制口罩防护性能具有十分重要的意义。依照气溶胶发生-气溶胶混匀-气溶胶采集检测这一技术路线,开展气溶胶发生介质为NaCl颗粒物的口罩颗粒物泄漏率测试仪的校准方法研究,具体涉及气溶胶发生流量、气溶胶颗粒物测试浓度、气溶胶颗粒物粒径分布及质量中位径、检测仓内气溶胶颗粒物空间均匀性、气溶胶采集流量、气溶胶质量浓度示值误差等6个项目,确保气溶胶发生、混匀、检测3个环节的准确性,从而确保口罩颗粒物泄漏率测试的量值准确。文中重点对校准设备的选取和校准方法进行了详细阐述,并通过实施校准测试实验,验证了相应校准方法的可行性和有效性。

激光锁相放大技术在顶空分析中的应用

基于FPGA研究了激光数字锁相放大技术,利用Lorentz线型模拟CO2吸收曲线,研究了调制系数、调制相位对吸收曲线二次谐波信号的影响,实现了调制参数的最优化。在此基础上,搭建了激光检测系统并对培养瓶内CO2浓度进行了顶空测量。结果表明:研制的顶空分析系统检测性能良好,输出二次谐波信号与CO2浓度的线性拟合度达99.98%,测量范围为0~20%,1σ检测限达到0.05%。

可在线校准的大气CO_2浓度光声光谱监测系统研究

Fs光声光谱系统的谐振频率和池常数通常在实验室由标准气体标定得到,但在实际应用中,由于标准气体本身的不确定度以及与被测气体成分的不同、环境温湿度的变化,使得现场测量中谐振频率和池常数与实验室标定结果有偏差,从而导致测量结果不准确。为了解决以上问题,提出了基于大气中氧气的在线校准技术,并将该技术用于检测大气中二氧化碳浓度的光声光谱系统。大气中氧气浓度恒定为20.964%,通过探测氧气在763.73nm附近的扫频信号及峰值信号,实现共振频率和池常数的在线校准。该系统中光声池为直径6mm,长度100mm的一阶纵向共振模式结构。理论上分析了环境温湿度、气体成分对光声池性能的影响,同时给出了用标准气体、室内空气和室外空气标定的谐振频率和池常数,在标定结果的基础上,测量得到室内和室外的二氧化碳浓度值。实验结果显示,与校准过的气体分析仪的测量值相比,用被测大气中的氧气标定的谐振频率和池常数计算的二氧化碳浓度更准确,相对误差小于1%,远小于实验室标准气体标定计算的浓度相对误差。创新处在于,直接利用大气中的氧气对光声池的池常数和共振频率进行在线校准,有效的减小了标准气体标定带来的误差,以及环境变化带来系统漂移,提高光声系统在线监测的准确性和可靠性。

中红外吸收光谱的气相过氧化氢浓度测量

气相过氧化氢为强氧化剂,其消毒、灭菌的最终产物为水和氧气,具有无残留、安全、快速消毒以及广泛的材料兼容性等优点。广泛应用于制药、医疗、卫生、生物安全等领域,特别是新冠肺炎、MERS、SARS以及甲流等呼吸类传染性疾病的消毒防治。为保证灭菌效果,防止无菌检查的假阴性或者假阳性,需要对过氧化氢的浓度进行监测。基于1255 cm^(-1)量子级联激光器可调谐激光吸收光谱技术研制了一套气相过氧化氢浓度测量装置,浓度测量范围为0~1800 ppm。采用V型光路结构、窗口片将检测仪主要部件与过氧化氢进行隔离,避免过氧化氢腐蚀。针对高浓度、高吸光度时一阶泰勒级数近似透射率函数误差较大这一情况,采用二阶泰勒级数近似透射率函数,导出了二次谐波信号关于气体浓度的二次函数。二次谐波信号测得是电压值,采用高锰酸钾滴定法对其进行标定、溯源。最终得到气相过氧化氢浓度的测量公式,对高低浓度过氧化氢都拟合较好,拟合误差最大为3%。当湿度变化时,二次谐波信号没有发生变化,排除水分对过氧化氢测量的影响,适用于灭菌过程中常压下高浓度VHP的浓度测量。

有源光纤式流量传感器的研究进展

光纤式有源流量传感器是近年来发展起来的一种基于光纤传感技术、流量检测技术的新型流量传感器.目前,主要将金属薄膜的光热转换效应或电阻的热效应与光纤及光纤光栅的温度、应力特性(在流体环境下光的强度、频率、波长及相位等受温度、应力调制的特性)相结合并制得一类新型的光纤有源流量传感器,包括光纤光栅点式及光纤散射(布里渊、瑞利)分布式有源流量传感器.通过文献综述的方式来介绍有源光纤式流量传感器的工作原理、种类及其研究进展,旨在为今后研究提供方法.

基于激光腔增强技术的前向散射能见度仪校准方法研究

为了填补前向散射能见度仪校准的空白,利用激光腔增强技术,搭建了一套开放式能见度校准系统,通过在能见度模拟舱中用气溶胶发生器产生单分散硬脂酸气溶胶颗粒产生模拟能见度环境,实现前向散射能见度仪的校准。与前向散射能见度仪、透射式能见度仪分别在小型模拟舱((长2m×宽1m×高1m))和大型模拟舱(长20m×宽3.5m×高3m)中开展了比对实验,实验结果表明,在100~2000m能见度范围内,与透射式能见度仪的相对误差在5%以内,与前向散射能见度仪的相对误差在10%以内,均具有较好的一致性。这套系统可以用在较小的小型能见度模拟舱中,为前向散射能见度仪的实验室校准提供可行的技术手段。

随机分布反馈光纤激光器研究进展

随机分布反馈光纤激光器(RDFFL)是近几年才发展起来的一种新型光纤激光器。它在结构上区别于传统激光器,即无反射镜,激光的反馈通过光纤中随机分布的背向瑞利散射效应实现,因此是一种随机激光器。RDFFL通过光纤中的分布式拉曼散射效应获得增益,可实现稳定的、空间不相干的连续激光输出,被认为是一种重要的新光源,可用于非线性光学、光通信和传感等领域。对RDFFL的研究进展进行了综述,阐明了其工作原理,从理论上分析了其工作特性,并分析了其应用与发展前景。

基于FPGA的TDLAS气体检测系统设计

为了解决现有TDLAS气体检测系统体积庞大、集成度低的缺点并实现系统的小型化,研制了一套基于FPGA的TDLAS气体检测系统,采用模块化设计方法,将电流驱动、温度控制、信号调理、锁相放大等功能有机地集成于一体,实现了激光输出和微弱信号解调的全自动化。同时,研制的TDLAS气体检测系统小型化程度高、成本低,利于小型化和推广。实验结果表明,该气体检测系统检测性能良好,二次谐波信号与湿度的线性拟合度达99.94%。在湿度为30%的条件下,测量结果的标准差为3.23×10^(-3),系统具备良好的稳定性。在此条件下,系统背景噪声为5mV,信噪比达到36dB。

基于光腔衰荡光谱的大气气溶胶消光系数测量及校准技术研究

气溶胶消光系数与大气能见度、气候变化直接相关。采用532 nm脉冲激光腔衰荡光谱仪实现对气溶胶消光系数的测量,气溶胶消光仪的检测限为0.3 Mm-1,并采用CO2、氟利昂R134纯气以及不同浓度的NO2气体对消光仪进行全量程验证、校准。在此基础上,与积分浊度仪、黑碳仪开展气溶胶消光系数现场比对测量,测量数据符合良好。

动态光散射及电子显微镜纳米颗粒测量方法的比较研究

本文以聚苯乙烯纳米颗粒作为测量对象,分别采用最为常见的扫描电子显微镜法(SEM)和动态光散射法(DLS)测量其粒径。结果表明:电子显微镜法可观察颗粒形貌及结构,但测量误差偏大;动态光散射法可精确测量颗粒粒径及其分布状态。分析讨论了这两种测量方法的优缺点,对纳米颗粒测量具有重要的指导作用。

光纤式动态光后向散射纳米颗粒粒度测量装置

提出并制备了一种新颖的光纤式动态光后向散射纳米颗粒粒度测试装置，装置采用多模光纤和单模光纤分别传输激光和接收散射光，光纤以探针形式直接插入样品中进行浸入式测量，具有散射角度可调和便于集成化等优点。利用搭建的装置对50nm、100nm、500nm、1000nm的聚苯乙烯纳米颗粒进行了测量，实验结果与样品的标称值相符，验证了装置的可行性。

基于温敏液体封装的高灵敏光纤多模干涉温度传感器

提出并研究了一种基于光纤多模干涉理论的温度传感器,其传感结构由毛细钢管封装一段单模-多模-单模（SMS）结构,并在管内填充温敏液体而制成.鉴于光纤多模干涉光谱对折射率具有红移特性,选择合适折射率的温敏液体进行封装可实现此结构的温度增敏.实验结果表明,在10 ～90℃的温度范围内传感器具有最大的灵敏度为-3.15nm/℃,较未封装之前提高了300多倍.

基于TracePro的高效LED反光杯建模的研究

随着发光二级管(LED)光源亮度的不断提升,LED已逐渐由装饰显示发展到照明领域的应用.LED反光杯能够将光源发出的光线反射到人们需求的方向,从而有效的提高了光能利用率.提出了一种基于TracePro的CPC建模方法,给出了理论推导,实现了在软件中的建模.通过实验对比分析发现,经过优化后的反光杯模型,能够极大地提高反光杯的光学效率,从而进一步提高灯具的发光效率,为其在照明领域的发展提供了新的使用价值和前景.