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.

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.

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的甲烷遥测方法的研究

介绍了一种基于TDLAS技术的望远镜收发系统的设计原理,通过对吸收池内标准浓度CH4的测量,标定了测量的准确性。在此基础上,对40 m的开放光程下CH4进行不同工况测量,验证了系统具有良好的时间响应性。系统的最小可探测极限约为5.48×10-5m/m。研究证明,该系统可以满足工业气体的在线监测需求。此外,该系统还可以方便用于远程监测H2S、CO、NH3等危险性气体的泄露。

可调谐半导体激光吸收光谱技术光信号相关法氨气浓度流速同时测量

利用可调谐半导体激光吸收光谱技术结合光信号相关技术可以实现气体浓度和流速的同时在线测量。文章首先介绍了气体浓度与流速测量的基本原理,然后对在近红外通讯波段附近的NH3吸收谱线进行分析,并从中选取适合测量的目标谱线,并进行了相应的计算分析。在常温常压下内径为0.016m长度为1m的管道内,利用流量计配制出不同浓度以及不同流速的NH3和N2混合气体进行相关的试验。利用线宽为15MHz,可连续调谐范围为1cm-1的激光二极管对位于6548.7cm-1处的NH3吸收谱线进行快速扫描,采用直接吸收计算的方法测量得到实时气体吸收信号并计算出气体浓度。同时利用非介入式的光信号相关法,通过布置在管道上下游两个探测器探测到的NH3浓度信号间的相关性,计算得到NH3气体从上游到下游的渡越时间,进而计算出气体流速。计算得到的NH3气体浓度值和流速值与流量计标定值之间相比,其相对误差分别在7%和10%之内。测量系统响应迅速,抗干扰能力强,测量结果重复性好,适用于恶劣的现场测量环境,具有很广的工业应用前景。

可调谐半导体激光吸收光谱技术对CO2浓度的测量研究

CO2作为地球大气中第三大含量的痕量气体,也是含量最大的温室气体,会导致气候变暖和生态系统的破坏等一系列环境问题,因此CO2浓度的准确测量具有重要意义。可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术利用气体的特征吸收光谱,可以对气体进行无需预处理的高灵敏度测量。基于TDLAS技术,搭建了采用直接吸收光谱的实验系统,根据与水分子的对比分析,选择CO2在2004 nm附近的强吸收线,在27 m的光程下达到的检测限为2.97×10-6。采用LGR气体分析仪作为对比,测量了室内空气的CO2浓度,无人和有人时二者的相关系数分别为0.9965和0.9875,在CO2浓度变化趋势上表现出了良好的一致性。

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术对开放式长光程大气CO_2的测量

CO_2是地球大气中第三大含量的痕量气体,对温室效应影响最大,主要来源于人类的日常活动,测量大气CO_2浓度对了解地区CO_2的周期性变化与气候变化的内在规律有重要意义。基于可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)技术,系统选择CO_2在2004 nm附近的吸收线,采用直接吸收光谱处理方法,对开放式长光程大气下的CO_2进行了连续测量。通过与手持CO_2测量仪的对比测量,二者的相关系数达到0.8371,二者的标准偏差为7.204 ppm,测量结果的变化趋势符合较好,证明了实验系统的可行性,为国内激光遥测CO_2提供了一种重要的思路与方法。

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的甲烷/空气预混平焰炉温度测量

燃烧场温度的测量对于燃烧诊断具有重要意义.开展了基于可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)的在线测温方法研究,基于双光束分时扫描技术,实现了双激光器协同工作与燃烧产物水汽7154.35cm^-1和7467.77cm^-1两条吸收谱线的同时测量,并利用双线积分吸光度比值关系完成温度的精确反演,满足燃烧场温度在线检测应用需要.开展了针对甲烷/空气预混平焰炉火焰温度的实时检测实验研究,并与热电偶进行了测温对比分析,两种方法的测量具有较好的一致性,相对误差小于3.8%,验证了TDLAS技术对燃烧场温度非侵入式快速测量的可行性和可靠性.

可调谐半导体激光吸收光谱技术在脱硝微量氨检测系统中的应用

脱硝主要还原剂氨气的在线检测,是防止氨气对环境二次污染的有效手段。LGA-4500是基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)的实时在线分析系统,可提供快速准确可靠的分析数据,是确保烟气排放安全、环保的一种理想分析系统。

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的甲烷气体监测研究

设计了一种基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的甲烷(CH4)气体监测装置,该装置具有温度监测范围大、监测精度高和实时监测的优点。监测装置的激光光源为波长1650 nm的反馈式激光器,应用波长调谐与锁相放大器技术,对周围环境进行温度补偿与背景扣除,可以较准确地测量周围环境中CH4的体积分数。实验表明,当CH4体积分数小于1%时,该装置的监测精度为±0.02%;当CH4体积分数大于1%时,装置监测误差小于±0.8%,实时监测的最长响应时间为10 s。装置的温度范围为0~40℃,可满足大多数工业生产中对CH4等气体体积分数的监测需求。

可调谐半导体激光吸收光谱技术在高超声速风洞中的应用研究进展

高超声速风洞在航空航天领域占据着不可替代的作用。可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)是一种具备非接触、灵敏度高、多参数测量、结构简单、价格低廉和高时空分辨等优点的流场诊断手段,被广泛应用于高超声速风洞等极端环境的温度、组分浓度、气流速度等参数测量。介绍了TDLAS技术的测量原理以及典型的光路设计,总结了近几年来国内外在高超声速风洞流场诊断中开展TDLAS应用的实例,最后概述了国内在高超声速风流场应用TDLAS诊断的发展水平以及还存在的相关问题,并对高超声速风洞中TDLAS流场诊断技术发展做了简单展望,为后续开展TDLAS技术改进及相关高超声速流场诊断实验提供参考。

可调谐半导体激光吸收光谱技术在石油工业中的应用研究

从世界范围看,化石能源目前仍是能源供应的主体。作为化石能源开发的主要阵地,石油工业对多种气体的检测与监测需求强烈,这对于环境保护和安全生产具有重要意义。可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)是一种微量气体检测技术,具有灵敏度高、选择性好、响应速度快、可用于多组分多参数测量等优点,被广泛应用于石油工业现场中目标气体体积分数检测和危险气体泄漏监测中。对TDLAS的原理和各种检测方式进行了分类概述,综述了TDLAS在石油工业现场气体检测中的应用,包括对易燃易爆气体(甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙炔、乙烯)、有毒气体(硫化氢、一氧化碳)和其他气体(氧气、水)的检测,总结了目前TDLAS遥测技术的应用情况并对TDLAS在石油工业中的发展进行了展望。

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的高速气流流速测量方法研究

以激光Doppler效应为原理,结合可调谐半导体激光吸收光谱技术的窄线宽、可调谐优势,可实现高速气流流速的实时在线检测.介绍了流速测量的基本原理和方法,搭建了双光路流速测量系统,利用DFB激光器位于1398 nm处的水汽吸收线进行10 kHz快速扫描,获得高速气流的实时光谱信息,并根据两路吸光度曲线之间的Doppler频移来反演气流流速.介绍了频率标定和Doppler频移测量的方法.在风洞上进行了流速测量验证实验,将流速测量结果与理论计算结果进行了对比,二者之间符合得较好,初步证明了该方法的可行性.分析了系统的性能及可能引起流速测量误差的因素。

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的纳米孔陶瓷光程增强特性研究

基于多孔散射介质具有独特的光程增强特性,纳米孔陶瓷材料可以作为一种潜在的微型气体吸收室,应用于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)气体传感中。为了探索纳米孔陶瓷介质自身物理参数对光程增强特性的影响,采用TDLAS技术开展了纳米孔陶瓷中氧气的吸收光谱测量实验,并研究了陶瓷介质厚度和孔隙率对光程增强系数的影响。实验结果表明,厚度和孔隙率与有效光程增强系数都是正相关的,其中厚度与有效光程增强系数成正比,孔隙率与有效光程增强系数呈指数规律变化,该研究结果为陶瓷介质光程增强机理研究提供了实验依据。因此,优化陶瓷材料的物理参数可以提高其光程增强系数,进而设计一种适用于TDLAS现场检测应用的纳米孔陶瓷微型气室。

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的西林瓶检漏方法

冻干制品灌装过程极易使西林瓶出现裂纹,裂纹及塞子与瓶口装配不紧等都会导致空气进入西林瓶内,使瓶内的药品变质或变性。基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术建立了西林瓶检漏测量系统,该系统可对西林瓶的密封性实现快速无干扰检测。通过分析参考光路与探测光路中水蒸气的物质的量分数差Δx与参考光路中水蒸气的物质的量分数xr之间的关系,得到了不同湿度环境下的检测阈值。首先对该系统的测量精度进行了验证,结果表明测量标准误差小于0.007%;然后在xr分别为1.29%、1.33%、1.89%、2.20%时,对10个西林瓶进行检测,4号和8号西林瓶在不同xr下的Δx均大于对应的阈值,判定为泄漏瓶,与实际泄漏情况相吻合。

基于可调谐半导体激光吸收光谱法测定天然气水露点技术研究

天然气水露点是关系天然气管道输送安全的重要指标之一,基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)设计开发了天然气水露点分析装置。根据天然气现场应用需求,搭建天然气在线分析计量装置并进行测试,进行了激光法天然气在线分析计量装置关键技术集成与装备试制。开展了仪器的离线标定及实验室稳定性测试,在天然气输气站现场开展了仪器的重复性测试及与冷却镜面法露点仪的比对实验。实验结果表明,在水含量0~300μL/L范围内,仪器测量误差小于±0.5%FS,24 h内仪器漂移量不超过±1%FS,实时在线测量速度不低于1次/s,与冷却镜面法露点仪比对结果在6℃以内。

利用可调谐半导体激光吸收光谱法同时在线监测多组分气体浓度

由于线宽窄,可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)一般情况下只能对一种气体进行检测。为了实现多气体同时或近同时在线检测,本文以1 578nm-H2S和1 747nm-HCl混合气体同时在线监测为例,研究了3种检测方法:(1)同频10kHz正弦波和两路同频30Hz不同步的分时锯齿信号法;(2)同频10kHz正弦和30Hz锯齿信号的光开关检测法;(3)多频(10kHz和20kHz正弦信号)正弦调制法。实验结果表明:分时锯齿信号法除幅值略有微小变化外,在使用前后对测试结果影响很小;光开关法在切换过程瞬间会略有不稳定,但不影响后期的浓度反演;多频正弦法的信噪比和抗干扰能力均有所提高,进行HCl探测和H2S探测时,信噪比在激光器关闭和打开情况下分别提高了0.95倍和3.17倍。以上3种方法操作简单,可以方便地实现多气体组分的同时在线监测,提高了TDLAS仪器的竞争力。

基于可调谐半导体激光吸收光谱的瓦斯监测方法研究

瓦斯爆炸是煤矿安全的主要威胁,对瓦斯气体浓度进行准确、快速、实时监测和预警是治理瓦斯灾害的有效手段。实验研究了近红外半导体激光吸收光谱技术在煤矿瓦斯气体安全检测中的应用。系统光源采用的是1.65μm波长的近红外可调谐DFB激光器,使用了波长调制和二次谐波检测技术,通过光纤进行信号传输。系统检测限低于0.09%,气体浓度的检测速度最高可达到0.02s。研究表明:该技术具有实时、连续、快速、非接触检测的特点;现场无带电部件,具有多点分布式遥测的能力,能够满足煤矿瓦斯安全检测的要求。

可调谐半导体激光吸收光谱法监测燃烧过程中CO浓度的变化

可调谐半导体激光吸收光谱技术(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)是利用二极管激光器的波长调谐特性,获得被选定的待测气体特征吸收线的吸收光谱,从而对待测气体进行定性或定量分析。它具有高灵敏、高分辨以及快速检测等特点,已经广泛用于大气中多种痕量气体的检测以及泄漏气体的检测,也是在燃烧环境下对气体进行非侵入式实时测量的理想方法。TDLAS技术与开放式的多次反射池相结合,并利用自平衡探测加波长调制的新型检测方法,测量了酒精喷灯燃烧过程中产生的CO浓度,从测量结果中发现酒精喷灯火焰中CO的浓度成一定的周期性,并且得到火焰中CO的平均浓度为49.4(10-6体积比)。实验结果表明利用开放式多次反射池,结合自平衡探测加波长调制探测的新方法,满足了酒精喷灯燃烧过程中CO检测的需要,此系统为发展基于TDLAS的燃烧在线诊断技术奠定了基础。

可调谐半导体激光吸收光谱法监测二氧化碳的通量

含碳温室气体浓度增加所加剧的温室效应是气候变化的重要原因,大面积范围内二氧化碳气体通量的测量对于评价各类陆地生态系统对大气中主要温室气体浓度的贡献具有重要的意义。可调谐半导体激光吸收(TDLAS)光谱技术具有高分辨率、高灵敏度以及快速响应等特点,是痕量气体高灵敏快速监测的新方法。文章以可调谐分布反馈半导体激光器作为光源,通过波长调制方法对1.573μm附近二氧化碳气体某一吸收线的二次谐波信号测量,结合激光分束技术,实现对不同高度层面700多米光程范围内二氧化碳气体浓度的快速在线检测。结合大口径闪烁仪测量出来的莫宁-奥布霍夫长度和特征速度,通过公式计算得到一天内二氧化碳气体的通量在-1.5～2.5mg·(m2·s)-1范围内的波动,突破了目前对近地面痕量气体通量的监测只能提供局地结果的状况,使大面积范围内痕量气体通量的测量成为可能。

可调谐半导体激光吸收光谱遥测二氧化碳通量的研究

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)具有高分辨率、高灵敏度以及响应时间快等优点。以室温下工作的近红外可调谐半导体激光器为光源,通过波长调制方法对1 578nm附近CO2气体吸收线的二次谐波信号测量,结合双开放光路技术,实现对不同高度层面700多米长光程范围内CO2气体浓度的快速在线检测。结合大口径闪烁仪测量的莫宁-奥布霍夫长度和特征速度,通过经验公式计算得到CO2气体的通量在-60～60mg.m-2.s-1范围内波动。实验数据与涡动相关比较表明,两者数据整体变化趋势一致,该方法可以获得较理想的结果。突破了目前对近地面痕量气体通量的监测只能提供局地结果的现象,使大面积范围内痕量气体通量的测量成为可能。