免标定波长调制吸收光谱技术用于乙炔探测的研究

利用近红外可调谐半导体激光器结合自主设计的柱面镜光学多通池,采用免标定波长调制吸收光谱技术实现了乙炔气体的痕量探测;实验中,使用中心波长为1.53μm的分布式反馈二极管激光器和有效光程为10.5m的柱面镜光学多通池,采用免标定波长调制吸收光谱技术对乙炔气体进行探测,并利用Allan方差对系统性能进行分析;对免标定波长调制吸收光谱技术与传统波长调制吸收光谱技术进行对比分析。结果表明:相比于传统的波长调制技术,免标定波长调制吸收光谱技术具有系统结构简单、灵敏度高以及浓度和光功率免标定等特点,可以提高系统的探测灵敏度和测量精度;使用免标定波长调制吸收光谱技术时,系统的测量误差小于5%,测量精度是传统波长调制技术的3.5倍,平均时间为1s时的系统探测灵敏度为0.127×10^(-6),平均时间为118s时的系统探测灵敏度可达0.031×10^(-6)。

基于跨波长调制和直接吸收光谱的宽量程多气体检测方法

针对可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)在煤矿、石油化工领域进行气体浓度检测时,遇到的高精度、宽动态范围需求,采用时分复用的方法,将直接吸收光谱技术(Direct Absorption Spectroscopy,DAS)和波长调制光谱(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)技术的优势相结合,完成了高精度、宽量程和免标定多气体检测系统的设计。设计激光器的驱动为线性扫描输出和叠加不同高频调制扫描输出的周期信号,用于完成高低浓度反演算法的时分复用计算,通过实验优化选择检测气体的吸光度拐点,实现对气体浓度的高精度、宽量程检测。在室温和常压下,通过实验分别对CH_(4)、CO和C_(2)H_(2)三种气体体积浓度进行检测,确定了两种算法最佳拐点吸光度约为0.026 cm^(-1)。系统对CH_(4)、CO和C_(2)H_(2)三种气体体积浓度的检测量程分别为0~100%、0~5 000×10^(-6)和0~1 000×10^(-6),其最小体积浓度检测限分别为2.27×10^(-4)、0.21×10^(-6)、1.68×10^(-6),且在量程内的测量结果准确度优于现行的煤矿行业标准。实验结果表明:该方法能够满足工业现场实际应用的需求,有利于拓展激光吸收光谱技术在工业过程、安全等领域的应用。

基于波长调制-直接吸收光谱的CO分子2.3μm处谱线参数高精度测量

波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)结合了直接吸收光谱(DAS)可直接测量吸收率和波长调制光谱(WMS)高信噪比的优点,可用于测量气体分子吸收谱线的光谱参数。采用WM-DAS方法结合有效光程约为45 m的Herriott型长光程吸收池,在CO浓度为24.151μmol·L^(-1)、常温常压条件下,测量了CO分子中心频率为4300.700 cm^(-1)谱线的吸收率,用Voigt线型(VP)函数对测量的吸收率进行拟合,结果表明对WM-DAS方法测量结果进行拟合所得的残差标准差比用传统DAS方法减小一半以上,证明WM-DAS方法的抗干扰能力比DAS更强。采用该方法与光程约为50 cm的吸收池结合,对CO分子在4278~4304 cm^(-1)波段的8条弱吸收谱线在不同压力下的吸收率进行测量,实验采用浓度为0.411μmol·L^(-1)的CO标准气体。分别采用VP、Raution线型(RP)和quadratic-speed-dependent-Voigt线型(qSDVP)对测量所得吸收率进行拟合,得到CO分子与空气分子的碰撞展宽系数γ0(T_(0))、Dicke收敛系数β0(T_(0))和速度依赖的碰撞展宽系数γ2(T_(0)),并对测量结果进行不确定度分析。其中由VP拟合所得各谱线的γ0(T_(0))与HITRAN数据库中参考值吻合较好,其相对误差均小于1%;Dicke收敛系数β0(T_(0))和qSDVP中速度依赖的碰撞展宽系数γ2(T_(0))的高精度测量为进一步完善分子光谱数据库及气体参数高精度测量提供了数据基础。

基于二次-四次谐波联用的免标定波长调制激光吸收光谱方法

可调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术因其高灵敏度、高选择性和快速响应的特点,被广泛应用于痕量气体的检测与燃烧诊断研究。基于谐波检测的波长调制光谱(WMS)方法具有高信噪比的优势,是最常用的TDLAS气体传感方法之一。近年来,为了扩展WMS方法的适用范围,减小光谱参数标定误差,针对WMS方法免标定策略的研究逐渐成为热点。传统的免标定WMS方法一般需要根据光谱数据库并结合激光调制参数进行复杂的吸收光谱模拟,对先验光谱参数的准确度和硬件参数提出了很高的要求。针对以上问题,提出了一种基于二次-四次谐波联用的免标定波长调制激光吸收光谱方法,可以实现气体参数的快速、精确测量。与传统免标定WMS方法相比,新方法有以下特点和优势:(1)新方法基于Voigt线型导出,可以适应于任意展宽条件下的测量;(2)新方法只需要利用二次谐波和四次谐波中心峰高参数的代数计算即可获得吸收谱线展宽、积分吸收面积等关键光谱参数,进而实现浓度、温度等气体参数的测量;(3)新方法不需要进行运算量较大的谐波拟合以及高次谐波计算,降低了对硬件系统的要求;(4)因为不需要扫描完整的吸收谱线形状,解决了传统方法在高温高压下由于吸收谱线展宽变大而导致的谐波信号不完整问题;(5)新方法只需要利用光谱数据库中的吸收谱线强度和低状态能量等光谱参数,而不需要利用自展宽系数、温度指数、其他组分碰撞展宽系数等先验参数,降低了对光谱数据库的依赖性。为了验证新方法的可行性,在实验室环境搭建WMS测量系统,选择CH_(4)分子在6046.95 cm^(-1)附近的吸收谱线,并利用二次与四次谐波峰值进行室温下CH_(4)摩尔分数的测量实验。实验结果表明,在20 cm吸收光程长下,CH_(4)摩尔分数测量的相对误差为1.19%,系统的探测极限为4.28×10^(-6)。

基于虚拟仪器技术的腔内吸收光谱波长调制与解调

在腔内吸收光谱研究中,采用波长调制技术以提高气体传感灵敏度。利用虚拟仪器技术,实现了光纤环腔激光器的波长扫描与调制;在建立谐波信号卷积模型的基础上,通过离散傅里叶变换的方法解调得到吸收信号的各阶谐波谱。采用此方法的测量系统结构简单,可有效地抑制部分激光噪声和干扰。实验结果表明,经调制解调测得乙炔气体在波长范围1 526nm～1 537 nm间的17条吸收谱线与光谱数据库一致,谱线精度只与波长调谐的精细度有关。

煤热解中痕量乙烯在线激光吸收光谱检测

为了实现煤热解过程中痕量乙烯(C2H4)标识气体的在线识别与检测,结合波长调制与长光程技术,搭建了煤热解乙烯在线激光吸收光谱检测装置。采用中心波长为1620 nm通信波段DFB激光器作为激光光源,有效光程为15 m的多光程吸收池为样品吸收池,利用SR830进行波长解调,通过二次谐波信号反演得到乙烯浓度。使用高精度流量控制器,利用高纯氮气稀释乙烯配比,制备得到10×10^(-6)到90×10^(-6)的标准乙烯样气,其线性拟合的相关系数R2为0.9989;对浓度为20×10^(-6)的乙烯进行连续4000 s的Allan方差分析,实验结果表明,检测极限为121×10^(-9)。为了研究不同气体氛围下煤热解过程中乙烯浓度的演化规律,控制气体流速为150 mL/min,分别在氮气、空气以及合成空气中对乙烯标识气体的释放过程进行热重分析实验。研究发现,当温度小于500℃时,3种气体环境下乙烯释放量较少且基本一致,当温度在500~700℃时,氮气环境中乙烯释放量要远高于其他两种气体,但空气中乙烯释放的增速最快,最大释放量约为40×10^(-6),温度高于700℃时乙烯释放量均开始减少。这一结果为进一步探索煤热解中乙烯的生成机理提供了理论和实验基础。

基于激光吸收光谱的CO/CO_(2)/H_(2)S浓度同步在线测量研究

CO、CO_(2)、H_(2)S是燃煤锅炉炉内气氛重要组成部分,其浓度不仅能够反映燃烧工况,还可作为水冷壁高温腐蚀程度判断依据,因此实现CO、CO_(2)、H_(2)S浓度的准确测量意义重大。首先采用波长调制-直接吸收(WM-DAS)方法结合约40 m长光程Herriott池,在室温低压下,开展不同CO/CO_(2)浓度配比下三种气体吸收率同步测量实验,结果表明三种气体的吸收率测量值与理论计算值相近,相对误差在6.82%以内,测量结果可靠性较高;然后对不同浓度CO/CO_(2)(0~2000μL·L^(-1))、H_(2)S(0~20μL·L^(-1))进行动态测量,结果表明,测量系统对三种组分浓度变化的响应具有较好的线性度。

基于调制激光光谱吸收的高稳定性气体检测

为了精确测定待测气体的体积分数,提高可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)的稳定性,优化了TDLAS气体检测系统的扫描信号。基于HITRAN数据库,选定了甲烷气体在1654 nm附近吸收峰,计算出含甲烷、水蒸气和二氧化碳混合气体的吸收系数;使用可视化仿真工具对气体检测系统进行理论仿真,同时通过搭建的气体检测系统验证仿真结果。结果表明,通过优化扫描信号,提高了检测系统的稳定性,偏差值从0.3%降至0.07%;建立了2次谐波信号均值与气体体积分数的反演模型,线性拟合的相关系数R^(2)=99.99%。此研究为提升TDLAS系统的稳定性和准确性,及实现高稳定气体检测具有一定的参考价值。

基于波长调制光谱技术的多组分气体遥测系统(特邀)

为实现对危化品气体泄漏的实时、远距离、非接触性监测,提高监测效率和精度,研制了一种多组分气体激光遥测系统。基于波长调制光谱技术,利用STM32芯片结合自主设计的驱动电路对激光器进行控制,采用不同的调制频率分别提取甲烷、氨气、乙炔的二次谐波信号,实现混合气体的同步、实时、远距离遥测。采用光强调制幅度归一化的波长调制光谱技术使遥测结果免受回波激光对信号强度的影响。实验测量表明本系统对甲烷、氨气、乙炔的探测下限分别可以达到87 ppm·m、212 ppm·m、12 ppm·m,测量误差小于10%。测量不同距离下的遥测信号,遥测距离至少可达40 m。本系统为激光痕量气体检测研究与应用提供了一种多气体、实时、同步、高灵敏度、远距离、性能稳定的遥测解决方案,能够广泛应用于矿山灾害气体监测预警,危化品场站和运输管网等场合的气体泄漏监测预警。

可调谐半导体激光吸收光谱技术的调制参量影响及优化选择

为获得较好的谐波信号,完成不同测量目的,以DFB-760.77nm波长处氧气监测为例,通过改变扫描锯齿信号和调制正弦信号的频率和幅值,讨论了调制参量对二次谐波信号峰-峰值、对称性、谐波信号展宽和信号完整性等判别依据的影响和变化.结果表明:Sinmulink模拟值和实验值相关性较高,当正弦调制信号和锯齿扫描信号频率比值为1 000倍时,可以获得较好的二次谐波信号.该研究为实验系统中调制参量的选取和调制度及系统准确度、稳定性、重复性等性能的优化提供了一定帮助.

波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)在线监测大气CO浓度

波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)同时具有直接吸收光谱(DAS)可测量吸收率函数和波长调制光谱(WMS)高信噪比的优点,本文首先采用WM-DAS光谱,在50 cm光程和室温低压下,CO分子近红外4300.7 cm^(-1)谱线吸收率检测限低至4×10^(-7)(200 s);然后结合120 m长光程Herriott池,在室温大气压下,吸收率函数拟合残差标准差达到5.1×10^(-5)(1 s).最后利用长光程WM-DAS测量系统,对不同浓度(体积分数为0.44×10^(-6)—9.6×10^(-6))CO进行了动态测量,并将其与腔衰荡光谱(CRDS)进行比较;实验结果表明:本文采用的长光程WM-DAS与CRDS方法测量结果相同,其中长光程WM-DAS系统CO浓度检测限低至0.9×10^(-9)(200 s),系统简单且测量速度远快于CRDS.与此同时,利用建立的长光程WM-DAS测量系统连续监测1个月时间内大气痕量CO浓度及其变化趋势,测量结果与中国环境监测总站测量结题高度一致.

基于发射和吸收光谱技术测量OH浓度变化受OH生成条件的影响

羟基自由基(OH)在大气化学反应、燃烧和等离子体中都具有诊断作用。以水汽及其混合气体为母体,通过辉光放电产生含OH的等离子体,同时测量OH吸收和发射光谱强度随OH生成参数的变化。高能电子碰撞解离水汽分子是产生OH的主要途径,在母体分子气压较低时,OH的发射光谱和吸收光谱强度都随水汽浓度增加而增加,且两种光谱技术测得OH浓度变化趋势一致。然而,当母体气压超过一定阈值时,气压持续增加会降低电子能量,减弱水汽分子的解离,从而导致OH吸收光谱强度随母体气压增加而减小。以纯水汽为母体分子时,压力增加产生的碰撞致使OH的A态布居增加,观测到OH发射光谱随水汽压力增加而缓慢增加。但含氮气母体分子中氮氧化物分子会与OH碰撞并发生反应,导致OH发射光谱强度随母体气压增加而减小。

基于波长调制-直接吸收光谱方法的CO分子1567 nm处谱线参数高精度标定

直接吸收光谱(DAS)可直接测量分子吸收率函数,并通过拟合吸收率函数确定待测气体参数.波长调制-直接吸收光谱(WM-DAS)在DAS基础上,结合了波长调制光谱(WMS)中谐波分析思想,利用傅里叶变换复现吸收率函数,可有效提高吸收率函数的测量精度.本文利用WM-DAS方法结合长光程气体吸收池,在室温低压条件下,对CO分子1567 nm处R5-R11近红外弱吸收谱线吸收率函数进行了精确复现,其拟合残差标准差低至3×10^-5,随后根据测得的吸收率函数对谱线的碰撞展宽、Dicke收敛以及速度依赖的碰撞展宽系数等光谱参数进行了高精度标定,并将其与高灵敏度的连续波腔衰荡光谱(CW-CRDS)测量结果进行了比较,实验结果表明该方法与CW-CRDS测量结果具有高度一致性,更具有系统简单、测量速度快、对环境要求低等优点.

波长扫描直接吸收光谱法燃烧诊断技术适用情况讨论

针对波长扫描直接吸收光谱法(SDAS)在燃烧诊断应用中受温度与压强等参数影响的问题,采用光谱仿真计算讨论该方法的适用情况,以常用的H2O分子7 185.597cm-1谱线为例,基于HITRAN光谱数据库,对不同温度和压强下分子吸收光谱影响因素进行分析.根据目前二极管激光器调制范围一般在2cm-1以内,得到了燃烧诊断应用中SDAS技术适用的一般原则,并对适用范围的拓展提出了建议.

基于量子级联激光吸收光谱技术的NH_(3)吸附性测量研究(特邀)

选择中心波长为8.91μm的量子级联激光器作为光源,结合波长调制光谱技术和小体积长光程的光学多通池,开发了一套氨气浓度检测系统。进行不同压力下氨气的直接吸收测量,结果表明谱线选择正确,以及系统搭建可行。配制不同浓度的氨气进行波长调制测量,得到二次谐波信号峰峰值与浓度之间呈现很好的线性关系,其拟合系数为99.50%。氨气浓度在0~100 ppm范围内,二次谐波的平均误差小于3%,其中在较高浓度10~100 ppm范围内,相对误差小于1%,灵敏度为10.35 ppm/V。配制浓度为6.25 ppm的氨气,并通入多通池检测,对系统进行Allan方差分析,系统在最佳积分时间为195 s时的探测极限为121.58 ppb。同时,从管道材料、温度两个方面出发,探究氨气脱附的效果。

基于激光吸收光谱技术的在线层析成像算法

传统的免标定波长调制光谱方法一般需要结合光谱数据库和激光调制参数进行复杂的吸收光谱模拟,对先验光谱参数的准确度和硬件参数提出了很高的要求,同时不合适的初值会增加计算时间,甚至会导致陷入局部最优解.为提高计算效率,本文引入一种快速免标定波长调制光谱技术获取积分吸光度.该方法对光谱数据库的依赖性低,计算效率高,同时解决了传统方法在高温高压下由于吸收谱线展宽变大而导致的谐波信号不完整问题.进一步将该方法应用于非均匀复杂燃烧场层析成像,并结合所提成像系统实现了快速在线重建温度、浓度分布.通过数值模拟和丁烷喷灯燃烧火焰的实验验证该方法获得积分吸光度的准确性和计算效率.结果表明,与传统的波长调制方法相比重建分布基本一致,最大测量相对偏差仅为0.94%,与热电偶测量值相比最大相对偏差为3.5%,验证了该方法的准确性.在重建精度相当的前提下,分析两种方法获得积分吸光度的计算效率.所引方法和传统方法平均每路计算时间分别为0.15 s和21.10 s.所引方法的计算效率比传统方法至少提高了2个数量级,为实现在线重建燃烧场的温度、浓度分布提供了快速可靠的研究方法和技术手段.

基于免校准波长调制的多光程吸收光谱

为了研究免校准波长调制光谱技术对激光光强变化及外界干扰的免疫能力,采用基于免校准波长调制技术的多光程吸收光谱,以乙炔为测量目标,进行了理论分析和实验验证.结果表明,不同激光功率下得到的波长调制二次谐波信号幅值发生明显变化,但通过免校准的方法得到的信号变化较小,且受气流影响、部分遮光、系统振动等外界干扰影响较小;采用免校准方法实验得到的体积分数在5×10^-6~9×10^-5范围内的光谱信号拥有较好的线性度,相关系数达0.9997;采用Allan方差分析得到该实验系统的最小探测极限可达1.2×10-8.免校准波长调制光谱技术能较好地避免光强抖动、气流干扰、系统振动等干扰,从而提高系统稳定性和探测灵敏度.

利用可调谐半导体激光吸收光谱技术对燃烧环境中的CO在线测量

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术,选用2.3,μm附近的R(30)吸收谱线,利用波长调制技术分别对高温管式炉炉中标定的CO/N2气体和自制燃油炉燃烧烟气中CO体积分数进行测量.引入激光强度影响系数Tr(t)对实验结果进行修正,以排除激光强度变化所造成的干扰.结果表明,实验验证了R(30)谱线在1,200,K以下,随着温度的上升谱线强度上升,更有利于高温下CO测量.测量CO体积分数变化趋势与燃烧工况相符,并且与其他测量仪器所测结果一致,谱线R(30)应用于工业现场中燃烧环境下的CO测量具有一定的可行性.

可调谐激光二极管吸收光谱系统信号分析及谱线畸变校正技术研究

利用可调谐激光二极管吸收光谱技术进行气体检测时,波长调制伴随的光强幅度调制,会使解调出的谐波谱线发生畸变。在傅里叶分析的基础上对可调谐激光二极管吸收光谱任意调制幅度的波长调制光谱信号进行了分析,给出了光强幅度调制引起吸收谱线畸变的理论解释。提出了在波长调制过程中进行同步平抑幅度调制的方法来消除谱线畸变,设计了实验方案并进行了二氧化碳气体实验验证。实验表明,平抑后的残余光强调制幅度约比补偿前降低了3个数量级,气体吸收谱线二次谐波畸变量比补偿前降低了92%。该方法在有效校正光谱线畸变的同时,降低了对系统中光电探测器、滤波器、数模转换器等环节的动态范围要求,具有在工业现场痕量气体在线监测系统中推广应用的潜力。

可调谐激光吸收光谱技术应用于高温环境下CO的测量

基于可调谐二极管激光吸收谱线(TDLAS)技术和波长调制技术(WMS),选用2 302.12nm处的吸收谱线,在1 000K高温环境下对CO浓度进行测量。结果表明:直接测量法最大误差小于5%;WMS技术测量最大误差小于3%,单位光程的最小探测极限可达20×10-6,两种方法的拟合曲线系数均大于0.99。其中,WMS方法可有效地抑制低频噪音,提高系统的灵敏度,测量值更接近于实际值。