一种螺旋型的紧凑多光程池

随着社会经济的高速发展,环境污染和生态破坏日益严重,突发性环境污染时有发生。利用光谱技术测量有害气体的浓度,可以对空气进行实时监测。在弱吸收条件下,利用多次反射池可以增加有效光程,从而提高吸收光谱的探测灵敏度。基于Herriott型多光程池的结构,提出了一种紧凑型多光程池。该光学器件由多个圆环形凹面反射镜螺旋封闭构成,入射光沿着环形镜的径向和轴向同时传播,形成有规律的放射状分布,光线在吸收池中的反射轨迹呈螺旋路径,光斑呈螺旋形分布。实现了入射光和出射光的分离,从而增加了光路的可调空间。由于吸收池中的反射次数与螺旋的圈数成正比,可以根据实际需要选择合适的光程。另外,该反射池的主体是一个圆筒,具有稳定的机械性能和一定的抗震性。利用ABCD矩阵变换分析了系统的稳定性,通过模拟发现光束通过透镜后,焦点会聚在圆筒中心附近,能使入射光斑在池中收敛,并讨论了反射次数与螺旋圈数的关系。还研究了在不同入射角条件下的旋光特性,发现线偏振光的旋转角度与入射角度成正比。当入射角相同时,旋转角度随着反射次数的增加而增大。

一种用于SO_3光谱测量系统中光程池的设计

光谱测量方法作为新型SO_3检测方法,呈现出了高灵敏度、稳定、可靠、准确等优点。光程池作为系统的重要部件,影响着整个系统检测性能。论文依据SO_3的化学特性,采用Herriott池结构原理,设计出了针对于SO_3中红外气体检测系统的光程池结构,通过光路追迹,分析光束传输次数,最后确定了在0.25m长的基础上实现了11.5m的光程,且具有耐腐蚀、光路简单稳定、易调节的特点,适用于光谱测量法的应用。

长光程比色池-流动注射测定水中微量挥发酚

利用长光程比色池-流动注射系统快速测定水样中的微量挥发酚.该方法的检出限为0.232μg.L-1,相对标准偏差小于0.553%,相对误差小于0.185%,样品加标回收率在91.0%～99.8%,且标准曲线具有良好线性(r=0.999 9).与传统国标方法(《水质挥发酚的测定4-氨基安替比林分光光度法》,HJ503-2009)相比,样品浓度测定偏差为2.59%～8.25%,在分析速率上,传统的国标方法约为5个.h-1,而该方法分析速率达24个.h-1,能满足大批量样品连续准确测定的要求,特别适合事故性的应急监测.

基于2μm激光二极管和Herriott多光程吸收池的高灵敏二氧化碳气体传感器(特邀)

为了提高二氧化碳气体检测系统的测量空间分辨率并减小系统体积,设计了一种基于2μm激光二极管和Herriott多光程吸收池的高灵敏二氧化碳气体传感器。设计并加工了有效光程为2.6 m的Herriott池来进行光路折叠。使用中心波长为2μm的激光二极管,覆盖二氧化碳分子在4989.9 cm^(-1)处的较强吸收线。采用波长调制技术减小系统的噪声。此外,为系统加载Kalman滤波技术来进一步提高探测灵敏度。实验结果表明,采用该传感器,系统的探测极限在1 s的积分时间下可达到0.18×10^(-6),而经过自编程实时Kalman滤波后探测极限可达到0.13×10^(-6),提高了27%。采用该传感器对室内二氧化碳浓度进行长达8 h的连续监测,并在暨南大学理工学院楼顶进行了24 h的二氧化碳浓度监测,证明了仪器的稳定性。

长光程比色池-分光光度法直接测定地表水中挥发酚

利用100cm的长光程波导纤维比色池,采用4-氨基安替比林分光光度法直接测定地表水中低含量的挥发酚。水样经预蒸馏后,取馏出液25mL,依次加入pH 10.7的氯化铵-氨水缓冲溶液0.25mL、2g·L^(-1) 4-氨基安替比林溶液0.5mL、80g·L^(-1)铁氰化钾溶液0.5mL,混匀后,移入长光程比色池中,于510nm处测量吸光度。挥发酚的质量浓度在1.00~40.0μg·L^(-1)内与对应的吸光度呈线性关系,检出限(3s)为0.257μg·L^(-1),加标回收率在95.7%~107%之间。

长光程吸收池在紫外差分分析仪中的应用

针对超低排放的要求,设计了一套基怀特型长光程吸收池的紫外差分气体分析仪系统。通过详细的光学计算和结构设计,能降低紫外差分气体分析仪零点和量程飘移,实现长时间稳定运行,使分析仪更适用于超低排放的在线监测环境。

长光程吸收池在气体浓度光谱检测中的应用研究

研究了长光程吸收池在气体浓度检测中的重要地位和作用,详细分析了6种不同结构原理的长光程气体吸收池,并比较了它们之间的优缺点。结合气体浓度光谱检测的发展需求,阐明了长光程吸收池在外形紧凑可靠、造价低、光能损失少、调节方便、等效光程易于计算以及抗干扰能力强等方面的发展趋势。

塑料挥发物长光程FTIR测量方法

塑料产品除了在自然环境中可降解为微塑料污染环境之外,还会产生挥发性有机物,同样对环境造成巨大的污染和危害,因此对塑料挥发物的测量就显得尤为重要。目前传统挥发物的测量方法,如环境质谱法和色谱法等,存在测量过程复杂,成本高,无法实时测量等缺点,因而需要一种快速有效的针对塑料挥发物的测量方法。采用傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer,FTIR Spectrometer)结合怀特池对塑料挥发物进行测量,但是由于抽取式傅里叶变换红外光谱仪本身灵敏度有限,很难实现微量的塑料挥发物的测量,所以针对这一问题,尝试通过长光程气体池提高常规傅里叶变换红外光谱仪的灵敏度从而实现不同种类塑料挥发物的测量。选取了5种塑料产品,分别是低密度聚乙烯(LDPE),高密度聚乙烯(HDPE),聚乙烯(PE),聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),聚丙烯(PP),利用光程长为20 m的怀特池结合傅里叶变换红外光谱仪实现了其中一些挥发物的光谱特征观测,实验观察到所有种类的塑料在2个光谱波数段具有明显的光谱特征,分别为800~850和1050~1150 cm^(-1)。除聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)外,其余4种塑料挥发物在2800~3000 cm^(-1)还存在明显的光谱吸收波段。进一步又研究了不同温度条件下塑料产生的挥发物,通过分析不同温度条件下的塑料产生的挥发物的红外光谱,发现除低密度聚乙烯(LDPE)在两种温度条件下光谱差异较大外,其他种类的塑料挥发物红外光谱差异较小。该研究提出了一种新型的基于长光程FTIR的塑料挥发物的测量方法,证实了其在塑料挥发物测量方面的有效性,这种方法具有测量成本低,可连续观测,实时在线等优点,为实现连续在线的塑料挥发物排放通量监测奠定了基础。

燃煤锅炉高温腐蚀气体激光在线监测设备研究

燃煤锅炉燃烧场的经济性、安全性和环保性对于智慧电厂建设具有重要意义。H2S和CO是燃煤锅炉燃烧场的两种主要高温腐蚀气体,它们不仅腐蚀锅炉近壁面,尾气对大气环境的危害也极其严重。基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱技术,结合波长调制光谱技术和频分复用技术,研制了一款无人值守的燃煤锅炉主燃区的H_(2)S和CO气体浓度实时在线监测设备。仿真模拟了6335~6341 cm^(-1)范围内的气体吸收光谱,并选定1.5μm附近的近红外激光器作为激光光源。研制了一套耐高温耐腐蚀的Herriott型多光程池,使激光与气体相互作用的有效光程达15 m;开发了硬件电路及相应的固件程序,实现了H2S和CO吸收光谱信号的二次解调与浓度反演。线性度和Allan方差实验表明,其线性拟合相关系数分别为0.9998和0.9995,在73 s和53 s的积分时间下,H_(2)S和CO的最低检测极限分别为0.2×10^(-6) mol/mol和0.344×10^(-6) mol/mol。最后,将研制的设备在某300 MW电负荷的四角切圆燃煤锅炉主燃区燃烧气氛场进行应用示范,对水冷壁附近的H2S和CO进行同步测量。结果表明,锅炉中H2S和CO的浓度呈正相关,厌氧燃烧会导致两种气体的含量增加,造成对水冷壁的腐蚀。

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。

小型化燃煤电厂逃逸氨气激光测量仪

为了准确测量高温下逃逸氨的体积分数,采用可调谐半导体激光吸收光谱技术、波长调制光谱技术(WMS)和长光程技术,开发了一套高温小型化的逃逸氨气测量仪;为了减小逃逸氨气的吸附效应和提高探测灵敏度,研制了新型高温长光程样品吸收池。在前期研制的激光驱动模块基础上,采用74HC4046锁相环芯片作为可调正弦调制信号源,以EPM7064为移相和倍频逻辑控制芯片,同时采用两片AD630作为一次解调(WMS-1f)和二次解调(WMS-2 f)同步解调乘法器,实现了吸收信号的1 f和2f同步解调。此外,以STM32F429为主控制器,将解调滤波后的信号输入到AD7606进行模数转换,并进行数字滤波和体积分数的反演。结果表明,氨气体积分数与WMS-1f幅值、WMS-2f幅值以及同步解调WMS-2 f/WMS-1 f归一化幅度值的线性拟合系数分别为0.998,0.997以及0.998;Allen方差表明在优化时间228s时,其测量的体积分数最低为0.496×10-6,在体积分数为20×10-6~100×10-6范围内测量误差小于±2%。该测量仪可以为燃煤电厂氨逃逸的高温测量提供高精度的原始数据。

FTIR和光谱差减法的大气质量检测

针对大气质量检测的多组分定量分析,本文提出利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术与光谱差减相结合的气体定量方法。该方法是根据迈克尔逊干涉原理与朗伯-比尔定律,采用怀特型长光程气体池与FTIR光谱仪相结合的方式来测得痕量气体的红外光谱,最后利用光谱差减法反演出气体浓度。为了避免背景环境的干扰(主要是避免水和CO2吸收峰的干扰),选择了在某些特殊波段内的待测气体吸收峰进行分析。本文分别对CO,SO2,NO2,NO和CO2气体进行了定量分析,相应的最佳观测波段依次为:2250～2020cm-1,1230～1070cm-1,2940～2840cm-1,1965～1775cm-1,668.24cm-1。实验结果表明,经浓度反演相对误差可达到10%以内。

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的逃逸氨在线监测研究

可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）具有高选择性、高准确性的优点, 为逃逸氨的在线检测提供了可靠的技术手段。首先研究了温度对NH3浓度检测的影响, 表明在25-300℃之间, 浓度随温度的升高而降低；然后在室温为25℃时, 利用TDLAS系统对浓度为10-100ppm 的NH3进行检测, 采集得到其二次谐波光谱。比较了单光程和多光程样品池测量结果, 得到单光程样品池最低检出限为22.9ppm, 多光程样品池的检测限为1.21ppm, 多光程样品池能够明显地提高检测精度。结果表明, 该系统能够适应现场测量环境。

燃煤锅炉水冷壁近壁面高温H2S气体在线监测系统

火电机组锅炉实施了低氮燃烧改造后,水冷壁近壁面区域长期处于高浓度还原性H2S下,水冷壁高温腐蚀现象愈加频繁,影响发电厂机组安全运行。本文基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS),采用耐高温耐腐蚀Herriott型多光程吸收池,研制了一套用于在线监测煤粉锅炉中水冷壁近壁面的H2S浓度的测量系统,并在某电厂对该测量系统进行了现场测试,测试结果表明该系统可实现锅炉中水冷壁近壁面的H2S的在线实时监测,并具有结构简单、稳定性强和检测灵敏度高等优点。

基于红外TDLAS技术的高精度CO_(2)同位素检测系统的研制

对天然气分布监测,高精度地检测CO_(2)同位素是非常重要的。采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术,通过^(13)CO_(2)/^(12)CO_(2)在4.3μm处的吸收谱线,实现高精度CO_(2)同位素检测。该检测系统由工作在连续波模式下的中红外间带级联激光器(ICL)、长光程多通池(MPGC)和中红外碲镉汞(MCT)探测器组成。针对^(13)CO_(2)和^(12)CO_(2)两条吸收谱线强度受温度影响的问题,研制了MPGC高精度温度控制系统。实验中,配置5种不同浓度的CO_(2)气体对检测系统进行标定,响应线性度可达0.999 6。结果表明,当积分时间为92 s时,同位素检测精度低至0.013 9‰,具备实际应用价值。

一种新型的大气污染物消光测量系统

基于光在长光程吸收池中的传输特性,设计了一套新型的大气污染颗粒物消光模拟测量系统。该系统由消光测量装置和大气污染颗粒物模拟装置构成。消光测量装置主要由激光器、开放式Herriot长光程吸收池和光功率计构成。在消光测量装置中,开放式Herriot长光程吸收池将某一波长的光经固定角度的镜片多次反射达到增大光程的目的;同时有利于对其内部反射镜表面的清洁,提高消光测量的灵敏度;还能够实时检测用于消光的颗粒物浓度。消光系数通过吸收池入口和出口处监测到的光功率计算获得,光功率的测量中利用差分法降低了激光器本身能量波动带来的误差,提高消光系数测量的准确性。通过与真实大气雾霾情况下激光雷达测量到的消光系数进行对比,验证了所搭建消光模拟测量系统的合理性。

用傅立叶变换红外光谱法检测气体中微量乙硼烷

利用配备长光程气体池的傅立叶变换红外光谱仪对气体中微量乙硼烷进行了定量分析。在恒定实验条件下进样,分辨率为4 cm^(-1),扫描8次,可以得到理想的分析结果。定量分析结果表明,该方法重复性良好(相对标准偏差<0.5%),在0~100×10^(-6)摩尔分数范围内线性良好(R^2=0.9996),扩展不确定度小(<4%),可用于气体中微量乙硼烷的定量分析。

基于TDLAS技术的云中水含量机载吊舱

云中水含量是机载大气探测的一个重要物理要素,已有的机载测量设备精度不高,设备一致性较差,且无法测得固态或固液共存的混合含水量。太原航空仪表有限公司研制了基于TDLAS技术的云中水含量吊舱,并成功进行了试验飞行。该设备采用DFB激光器结合长光程吸收池,克服了以往测量方法存在的缺点,测量精度高、响应速度快,获得了可信的试飞数据。

LWCC-CFA在检测水中挥发酚的应用

应用AA3型连续流动分析仪测定地表水中挥发酚,增加长光程比色池（LWCC）以降低方法检出限,达到更低的检测要求。经实验论证,在0-0.0500 mg/L范围内,线性良好（r=0.9999）,检出限为0.0002 mg/L,满足地表水检测要求。相较手工分析方法大大提高分析效率,并且减轻对实验人员的危害。

新型舰艇舱室空气质量检测及研究

舰艇舱室空气组分特性是直接影响艇员健康和制约战斗力的关键因素之一[1],目前我国舰艇舱室检测设备存在检测种类不全、测量精度较低、测量重复性差和体积重量大等问题[2~3],为改善此现状,新型密闭与半密闭舱室环境监测设备采用傅里叶红外光谱技术,该设备检测性能能够满足多型舰艇对舱室痕量多组分有害气体实时在线分析与检测的需求,可以为舰艇舱室应用在线大气环境多组分气体分析提供可靠上艇气体分析装备。