中红外差分吸收激光雷达探测苯气体浓度

苯作为挥发性有机化合物(VOCs)的重要组成部分,其大气污染状况日益引起人们的关注,中红外波段通常是分子的基频指纹吸收区,已成为痕量气体检测的重要波段,而差分吸收激光雷达是探测大气痕量气体的重要手段,故针对区域性苯浓度实时遥感问题,提出基于中红外带间级联激光器(ICL)的探测大气苯浓度路径积分型差分吸收(IPDA)激光雷达系统。首先,在分析IPDA激光雷达的探测原理的基础上,构建了IPDA激光雷达的反演算法及其误差分析模型。其次,详细分析来自HITRAN数据库的中红外3100 cm^(-1)附近苯以及主要干扰气体(如HCl,CH_(4)和H_(2)O)的吸收光谱,结合HCl和CH_(4)着重考虑了H_(2)O对探测结果的影响,选择IPDA激光雷达的测量波长和参考波长分别为3090.89和3137.74 cm^(-1)。再次,基于两个连续波ICL,设计了探测大气苯浓度IPDA激光雷达系统,并可通过控制温度和驱动电流调谐激光器的输出波长,使其波长分别稳定在强吸收谱区和弱吸收谱区,并设计了基于中红外衍射光栅的光谱分光子系统,以实现双波长接收信号的同步探测。最后,基于标准大气模型,仿真分析了不同路径长度、能见度和水汽浓度情况下激光雷达的探测性能,并搭建中红外波段检测气体池开展了测试实验,以验证该IPDA激光雷达系统的可行性。仿真及实验结果分析表明,当大气能见度为5 km,水汽浓度低于0.4%时,苯的浓度路径积(CL)在0.1~24 mg·m^(-3)·km范围内探测的相对误差优于10%,而苯的CL为5 mg·m^(-3)·km时探测相对误差优于1%;初步实验测试了中外红波段差分吸收激光雷达探测的线性相关系数R^(2)约为98.7%。

基于近红外光谱差分吸收法的甲烷激光式检测系统研究

甲烷是导致煤矿爆炸事故的主因,取决于甲烷在空气中的爆炸极限。甲烷气体的浓度直接影响矿井作业的安全,这里提出一种新型的甲烷激光式检测系统,利用近红外光谱差分吸收技术,结合最小二乘拟合方法求出气体浓度。较传统的催化燃烧检测方式,提高了系统精确度、灵敏度、抗交叉干扰能力,能够实时在线检测甲烷气体浓度。将该系统应用于煤矿束管监测系统中,将有助于矿井安全作业,有广泛的工业应用前景。

基于可调谐激光吸收光谱技术的脱硝过程中微量逃逸氨气检测实验研究

为了对电厂脱硝过程中逃逸的微量氨气进行在线检测,实验室采用可调谐激光吸收光谱技术对常温常压下以及不同温度下的低浓度氨气进行了测量试验,其中电厂逃逸氨气检测处温度约为650K。通过分析近红外波段的氨气吸收谱线,并考虑实际测量环境H2O和CO2等浓度很大的气体吸收谱线的干扰,实验选取2.25μm附近的ν2+ν3谱线作为浓度检测谱线。为了验证所选谱线对低浓度NH3的测量能力,实验对H2O,CO2和NH3的吸收谱线进行模拟,发现低浓度NH3受较大浓度的H2O和CO2谱线的干扰较小,尤其是CO2谱线的干扰可以忽略不计,且2.25μm处谱线强度远远大于通讯波段1.53μm处的谱线。基于新型Herriott池以及高温管式炉,结合可调谐激光吸收光谱中的直接吸收技术和波长调制技术,实现了对不同温度下超低浓度NH3的高分辨率快速检测。常温常压下其线型函数可以利用洛伦兹线型来近似描述,直接吸收测量技术可以使探测极限降低到0.225×10-6。通过采用简单降噪处理技术如多次平均、简单小波分析等,得到不同温度下的谐波信号与浓度具有良好的线性关系,为采用可调谐激光吸收光谱技术进行现场低浓度逃逸氨气检测提供了很好的依据。

差分吸收激光雷达测量NO_2浓度的实验研究

介绍了差分吸收激光雷达测量大气中物质成份及浓度的测量原理,并利用差分吸收激光雷达测量了3.5 km内NO2的浓度分布,测量结果表明,使用双通道可调谐的Ti:Sapphire激光器的一组波长(448.2nm和446.8 nm)可以获得比较精确的NO2的浓度随距离的分布。

基于可调谐激光二极管吸收光谱的乙炔在线检测系统

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术,研制了一种近红外乙炔气体检测系统。通过分析近红外波段乙炔分子的吸收谱线特性,选择了1.534μm附近乙炔分子的吸收峰作为吸收谱线。该系统主要由分布反馈激光器、激光器驱动器、单光程对射式气室、光电探测模块及数字式锁相放大器构成。为了测试该检测系统的性能,配备了乙炔气体样品并开展了气体检测实验。实验结果显示,该系统的最小检测下限为0.02%;在体积分数为0.02%~1%范围内,二次谐波幅值与乙炔气体浓度呈现出良好的线性关系。通过长达20h的稳定性实验测试了检测系统稳定性。鉴于近红外波段石英光纤传输损耗很小,可以将气室及光路部分与电路部分分离,从而可以进行远程气体检测,这是基于量子级联激光器、热光源的乙炔检测系统难以实现的。该系统采用了自主研制的分布反馈激光器驱动器和锁相放大器,结构简单,性价比高,便与集成,在工业现场乙炔浓度检测方面有着良好的应用前景。

小型化中红外直接吸收CO_(2)光谱仪

二氧化碳(Carbon Dioxide,CO_(2))是一种关键的温室气体,对地球气候和生态系统调节有重要作用,准确检测痕量CO_(2)浓度对评价温室效应意义重大。一般情况下,气体分子在中红外光谱范围存在强吸收,可以实现高灵敏探测,因此,以4.219μm中红外波段的带间级联激光器为光源结合可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)设计了小型化CO_(2)监测仪器。在不同标气浓度下对仪器进行了标定,并通过分析Allan方差,得出积分时间在8.7 s时对应的最低检测限为16.6×10^(-9),满足温室效应研究对CO_(2)气体的高灵敏测量需求。采用仪器对大气CO_(2)连续监测8天,并与商用仪器LGR进行对比,充分验证了小型化CO_(2)监测仪器的可靠性,以及中红外光源与TDLAS技术相结合的气体浓度检测方法在大气CO_(2)准确测量方面的可行性。该系统具有结构简单、体积小、功耗低和质量轻的特点,为建设空基无人机平台的CO_(2)监测能力提供了技术支持。

可调谐二极管激光吸收光谱技术在探测灵敏度上的探讨

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是利用二极管激光器波长调谐特性,获得被测气体在特征吸收光谱范围内的吸收光谱,从而对污染气体进行定性或定量的分析的一种技术方法。在对痕量气体的监测时一般会采取一定的措施去克服直接吸收型气体传感器的缺陷,提高检测精度。文中概述了TDLAS技术的研究现状,针对近年来国内外出现的基于可调谐二极管激光吸收光谱技术在减小系统干扰,提高探测灵敏度的技术措施,从系统结构处理,调制解调技术,检测装置的处理,检测信号的处理等多个方面作了深入的研讨。

高分辨率高灵敏度可调谐近红外二极管激光光谱探测

根据近红外可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)和波长调制光谱技术(WMS)的原理,设计了一套可调谐近红外二极管激光光谱仪,在实验室结合长程吸收池,对各种浓度的 CO2进行了测量。测量结果表明,在 170m 吸收程时,可以探测压力为 1.9995 Pa 的 CO2,比原来的实验结果有很大提高。

红外多谱线吸收激光雷达

在激光光谱学中,差分吸收光谱方法很好地解了背景吸收对测量的影响,并常用于各种激光探污雷达中。但差分吸收方法由于所选用的两条谱线的隔离,参考线的背景吸收并不能完全代替吸收线的背景吸收,常常伴有其他干扰成分的微弱吸收峰,影响了测量结果。 本文在差分吸收激光雷达方程的基础上,考虑在各参考线上有微弱吸收峰的情况。

小型TEA CO_2激光器的快速调谐技术研究

报道了两种快速调谐技术的研究——— 6面转镜 +固定光栅法和高频步进电机驱动光栅法。实验表明 ,高频步进电机法优于转镜法。实验得到激光器的一级调谐输出谱线 5 0余条 ,激光输出能量 (30～ 10 0 )mJ。在单台CO2 激光器上实现快速调谐输出波长不同的激光脉冲 ,其时间间隔达到≤ 10ms。

快速调谐小型TEA CO_2激光器的实验研究

报道了可用于 CO2 激光差分吸收雷达光源的一小型快调谐 TEA CO2 激光器。调谐机构由单片机控制的高频步进电机、衍射光栅、触发控制器组成。在谐振腔长 50 0 mm、脉冲重复率 2 0 Hz的 TEA CO2 激光器中 ,实验得到零级输出谱线四十一条 ,一级输出谱线二十条 ,每脉冲输出能量～ 2 0 m

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。

差分红外型甲烷浓度光纤网络传感系统的研究

基于甲烷气体在其特征吸收波长下光的吸收程度随浓度变化的机理和差分吸收测量方法,结合空分复用技术和长光程吸收池技术,并考虑煤矿矿井中环境的特点,复用多个气体吸收型光纤传感器.介绍了利用差分红外光谱方法测量矿井中甲烷浓度的光纤网络传感系统的工作原理,给出了系统的结构框图.实验表明,吸收气室光程长为20 cm时,该传感器的检测限为4.278 m g/m3,精确度和稳定性可以满足实际要求,可在不同场合进行多点在线测量.

可调谐TEACO_2激光器技术

近年发展起来的激光差分吸收雷达用于遥测大气污染状况,可获得大气污染物浓度的时空分布,这对了解大气污染的分布实况、寻找主要大气污染来源、防治大气污染等均有很重要的价值。TEA CO2激光器工作在9～11μm的红外波段,大部分大气污染物和化学物质的特征吸收谱都在此波段内。高重复率可调谐的TEA CO2激光器的研制已成为CO2激光差分吸收雷达的关键技术。差分吸收雷达从探测方式上可分为相干探测和直接探测方式,其中直接探测方式又可分为后向地物反射方式和距离分辨方式。早期,由于单台激光器快调谐问题尚未解决,一般都采用多台波长固定的CO2激光器组合使用。随着快速调谐技术的发展,差分吸收雷达系统开始采用单台CO2激光发射器。这就使差分吸收雷达系统更加趋于小型化和实用化。利用符合TEA CO2激光器内多种激光混合气体组分的五温度、六温度模型速率方程理论,详细分析了TEA CO2激光器的动力学过程,确定激光谐振腔初始条件后,计算了激光器的各种输出特性。激光器输出脉冲参数如峰值功率、粒子数反转、光强、激光能量等均为时间的函数,并且随着输入参数(气压、温度、耦合输出镜反射率等)的不同而作相应的变化。根据理论计算结果,设计研制了两台高重频快调谐TEA CO2激光器,分别采用高频步进电机驱动光栅和扫描振镜+光栅的技术方案实现了激光的快调谐输出。设计了小型化高重复率可调谐的TEA CO2激光器,激光谐振腔长55 cm,采用高频步进电机驱动光栅法,预电离方式为表面电晕紫外预电离,实验得到激光器的一级调谐输出谱线50余条,激光脉冲输出能量30～100 J,峰值功率0.3～1 W,谱线分布于9R、9P、10R、10P四个谱区。单片机控制在单台CO2激光器上实现快速调谐输出波长不同的激光脉冲,不同谱线的输出时间间隔约10 ms。采用扫描振镜+光栅的调谐技术,又研制了一种双通道放电激励折叠腔TEA CO2激光器。详细分析了折叠腔TEA CO2激光器的结构及其设计特点,谐振腔长约120 cm,影响气体快放电过程的各种因素,如储能电容与峰值电容的比值、工作气压、充放电电感及输入电压的范围等进行了实验研究,确定了充放电谐振回路的最佳参数,实现了双通道的稳定辉光放电。对激光器输出能量与激励电压、混合气体工作气压等参数的关系进行了实验研究,得到激光器自由振荡最大输出能量约为722 mJ。工控机程序控制扫描振镜+光栅的偏转角度,实现了激光的可调谐输出。激光器脉冲重复频率可达到100 Hz,实验得到一级调谐输出谱线80条。强支谱线如10P(20)、9P(18)支输出能量约400 mJ,弱支谱线如10P(48)、9P(42)支谱线能量约100 mJ。经测量,弱支谱线的远场发散角水平方向和垂直方向均为1.21 mrad,约为2倍衍射极限。实现了任意波长两条谱线在10 ms时间内快速切换输出。

可调谐激光气体水分传感器设计

针对低露点水分测量过程,特别是进行-80~-60℃范围露点测量时,缺少精度高、速度快、稳定性好、成本低的解决方案的问题,设计并实现了一种基于可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)的气体水分传感器。该传感器采用1392 nm可调谐分布式反馈(Distributed Feedbake,DFB)激光器,结合特殊设计的赫里奥特池,在吸收池体积为30 mL的情况下,光程达到了1.5 m。测量过程克服了空气背景干扰、管壁吸附等问题,实现了0.5~2000μmol/mol的微量水检测,通过分段检测、多点标定的方式,保证了较宽量程范围内的测量准确度。采用氮气作为背景气进行试验,试验结果按露点温度计算,误差优于±0.32℃。该传感器测量重复性符合二级精密露点仪要求,可用于氮气和空气中的水分测量。

激光长程吸收测污装置的模拟试验

本装置为一长光程吸收差分测量大气污染的系统。它带有合作靶——角反射器，使发射出去的激光沿原程返回，以测量一定光程内被测物的积分平均浓度，使用二台一级衍射输出的光栅调谐二氧化碳激光器，分别发射测量光束和参考光束，用差分吸收原理补偿大气的消光作用。使用大口径望远镜，力求减小光传输的波长效应对整机灵敏度的影响。

Tm∶YAG晶体的生长及吸收特性

采用提拉法生长出三种掺Tm3 + 浓度的Tm∶YAG晶体。运用ICP AES测定Tm3 + 离子在Tm∶YAG晶体中的分凝系数约为 1。室温下测定了Tm∶YAG晶体在 190～ 90 0nm之间的吸收光谱及 10 0 0～ 4 5 0 0cm-1范围内退火前后的红外吸收谱。测试结果表明 ,退火后 336 5cm-1处OH-1离子的吸收峰完全消失。说明在空气气氛下对Tm∶YAG晶体进行退火处理改善了晶体的性能。

红外气体检测技术在天然气安全生产中的应用

红外气体检测技术具有极高的准确性和灵敏度,同时具有动态测量范围大、响应时间快、不易受其他气体干扰等优点。因此使用高精度、高灵敏度、稳定耐用的在线或远程红外气体检测仪,对保证天然气安全生产具有重要意义。为此,针对现行检测方法存在精度不足等问题,采用红外气体传感技术结合可调谐激光光谱与波长调制技术,对天然气管道传输中的甲烷气体泄漏进行远距离检测,提高了测量精度;采用谱线分析法实时监测含硫天然气井喷或泄漏,在空气中水蒸气和甲烷气体的干扰下,根据谱线交叠情况建立起二元一次方程组,能够在不同浓度甲烷气体干扰下同时计算出甲烷和硫化氢的浓度,在71.4 mg/m3的甲烷干扰气体存在时,可以获得的最低可探测硫化氢浓度为15.2 mg/m3,达到了安全生产的要求。研究结果证明,红外气体检测技术在天然气安全生产中有着广泛的应用前景。