基于透射曲线拟合的高精度激光吸收光谱温度检测方法

可调谐激光吸收光谱技术在流场检测领域应用越来越广泛,然而恶劣的现场应用环境对测试系统的环境适应性、抗噪声干扰能力提出了更高的要求。直接吸收光谱技术可以获得吸收峰的全部信息,对多类测试环境均适用,如风洞,发动机喷射流场等,然而受现场测试环境影响,获得的测试信号信噪比通常较差,难以实现高精度检测。针对这一问题,对直接吸收光谱技术的数据处理分析算法进行了分析研究,提出了一种基于透射曲线拟合的高精度温度反演分析方法。利用水汽在7185.6和7444.3 cm-1附近的吸收谱线,研制了基于直接吸收光谱检测技术的温度检测系统,开展了573K-1173K温度范围内测试信号的处理分析,对比分析了基线-吸收线型拟合算法与透射曲线拟合算法的反演结果。当检测温度为773 K时,相比基线-吸收线型拟合算法,透射曲线拟合算法在7444.3 cm-1波段附近的逐点拟合误差峰峰值可以减小约30%,7185.6 cm-1波段附近的逐点拟合误差峰峰值可以减小约16%。573~1173 K温度范围内,透射曲线拟合算法反演温度最大误差为13 K,相比基线-吸收线型拟合算法减小了23 K。给测试信号加入不同幅度的随机噪声信号,两种算法反演温度的标准差均随噪声幅度的增加而增加,同时温度越高,温度反演标准差越大。当噪声的峰峰值分别为20、60和100 mV时,不同温度下基线-吸收线型拟合算法温度反演结果的标准差最小值为18 K,最大值为313 K,透射曲线拟合算法温度反演结果的标准差最小值为4 K,最大值为44 K。实验分析结果表明,相比基线-吸收线型拟合算法,透射曲线拟合算法可以修正激光器功率基线拟合误差,提高透射信号拟合精度,减小温度反演误差。对比不同噪声水平下测试信号的温度反演结果表明,透射曲线拟合算法在噪声干扰下可以实现更高的检测精度,具有更强的抗噪声干扰能力。

基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的烟气氨逃逸检测研究及应用(特邀)

烟气氨逃逸是许多大型能源转化设备脱硝系统都存在的问题,大量的氨逃逸不仅威胁机组运行,增加系统维护成本,而且还会形成二次污染,危害大气环境和人体健康,因此,必须对氨逃逸进行实时监测和有效控制。可调谐二极管激光吸收光谱技术是一种先进的痕量气体检测技术,具有灵敏度高、选择性强、可实时在线测量等优点,广泛应用于各种污染气体检测领域,并且已经成为当前烟气氨逃逸在线检测的主流技术。本文介绍了可调谐二极管激光吸收光谱技术的基本原理,总结了氨逃逸的常用检测方式,综述了可调谐二极管激光吸收光谱技术在烟气氨逃逸检测方面的研究和应用进展,并对未来的发展应用进行了展望。

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。

掺铥光纤激光放大器在宽波段吸收光谱技术中的应用

利用掺铥光纤在2μm波段的宽带发射特性和光纤可饱和吸收体的线宽压缩特性,研制了宽带调谐窄线宽掺铥光纤激光放大器,该激光放大器可将窄线宽、宽带可调谐种子光源的功率放大至290 mW,放大后的光源连续运行30 min,均方根稳定性优于1%。利用激光放大器输出的32路激光中的任意一路测试了水分子在2μm波段的宽吸收光谱,并利用测试结果反演得到了该光源在动态扫描过程中的线宽约为0.06 nm。利用该激光放大器分别测试了空气和酒精火焰中温度和水分子摩尔分数。结果表明:常温下,空气和酒精火焰中温度的平均值分别为301.2,1263.3 K,相对偏差分别为1.28%,3.08%,水分子的摩尔分数平均值分别为2.11%,5.58%。利用该光源可有效获取水分子在2μm波段的宽波段激光吸收光谱,利用这些吸收光谱数据能够较为精确的反演出环境温度、水分子摩尔分数等信息,结果验证了该激光光源在燃烧流场2维层析诊断测量应用中的可行性。

基于高灵敏激光吸收光谱技术的稳定气态同位素测量及其应用(特邀)

稳定同位素测量技术已经在地球化学、地球物理、农业、生物、临床医学和生态科学等领域得到了众多应用。相对于传统的稳定同位素分析方法,基于激光吸收光谱技术的同位素分析技术,作为一种较新的同位素丰度测量方法,具有选择性好、精度高、体积小、无需样品预处理、可以实时原位同时测量气体浓度及同位素丰度等众多优点,得到了极大的关注和使用。本文主要以目前同位素测量的可调谐半导体激光吸收光谱技术、积分腔吸收光谱技术、腔衰荡吸收光谱技术三种激光吸收光谱方法为例,阐述了其基本原理、谱线选择、温压影响因素及其控制、系统组成结构以及部分应用测试结果。通过对测量系统的压力与温度的稳定控制的前提下,选取了合适的同位素测量谱线对,实现了大气CO_(2)气体的13C测量精度为0.3‰,煤层气CH4气体的13CH4测量精度为1.25‰,冰川水H_(2)O中18O、17O和2H的测量精度分别为0.3‰、0.2‰和0.5‰,以及呼吸气体中的13CO_(2)判识“金标准”。通过分析验证了激光吸收光谱技术在同位素测量方面的可行性和可靠性,也充分说明了基于激光吸收光谱技术的测量方法具有非常好的技术优势,将是光谱研究领域关注的重点内容,并在后续的科学研究中占据举足轻重的作用。

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。

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术在冻干机中的应用方案研究

冷冻干燥是一种低温低压下在封闭环境中除去水分的药品生产工艺,工艺条件要求较高。可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术是一种气体在线监测技术,具有灵敏度高、抗干扰、易于调谐等诸多优点,可将其运用于冻干机中,在药品生产过程中通过监测水蒸气的升华速率以判断两次干燥过程的终点,提升药品质量。现论述了冷冻干燥和TDLAS的一般原理以及国内外近阶段对TDLAS的研究成果,探讨了将两者结合的可行性,分析了运用TDLAS技术监测水蒸气的优势和难点,并设计出了监测方案。

基于期望块对数似然的激光吸收光谱层析成像

可调谐二极管激光吸收光谱层析成像(TDLAST)是一种重要的非侵入式燃烧检测技术。然而,TDLAST逆问题的欠定性使得传统算法重建的气体吸收密度存在较大误差。本文将期望块对数似然先验引入TDLAST逆问题的求解,提出基于高斯混合模型(GMM)正则化的温度重建算法(GMMTRT)。该方法利用GMM建模燃烧场气体吸收密度的局部分布特性,采用半二次分裂方法求解引入GMM正则化的TDLAST逆问题。利用火灾动力学模拟器生成的仿真数据与利用TDLAST实验系统获得的实际数据进行的重建实验均表明,GMMTRT重建的温度图像能够准确定位火焰位置,并清晰描述燃烧场感兴趣区域的温度分布。与现有的基于Tikhonov正则化的温度重建算法和同时代数重建算法相比,GMMTRT的重建误差分别能够降低15.42%~36.16%和23.10%~44.79%。

激光吸收光谱气体检测中的干扰因素分析和温度校正方法研究

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)是一种非侵入式光谱检测技术,具有高选择性、高响应性和高分辨率等特点。根据分子光谱吸收原理,被检测气体所处环境温度的改变会引起分子吸收谱线强度的变化,进而影响气体浓度反演的准确性。为提高气体在高温背景下浓度测量的准确性和真实性,选取工业过程常见的一氧化碳(CO)为目标气体,设计了基于波长调制技术多温度梯度(室温14~1100℃)的气体吸收光谱检测实验,与HITRAN数据库中光谱参数进行对比,并对结果进行校正和分析。同时,以探测信号有效扫描区域的线性度、标准差和残差平方和等参数为依据,分析了不同材质的窗片对高温实验的影响,通过升降温实验数据的分析,选择了降温梯度测量作为高温实验的最佳控温顺序。经过对标准浓度的CO进行高温实验,发现随着温度的升高,二次谐波(2f)幅值和吸收线强有相一致的下降趋势,符合理论公式的变化规律。经过分析校正后的2f幅值和温度呈现非相关性,实现了热背景下光谱检测的校正,验证了变温时2f幅值校正的准确性。该研究为光谱检测技术在高温背景下实际应用提供了一定的参考,尤其是对高精度工业炉内气体燃烧效率的动态评估具有极其重要的意义。

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。

可调谐二极管激光吸收光谱二次谐波信号的模拟与分析

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)作为近年来发展起来的一种气体检测技术,具有高分辨率、高灵敏度和快速测量等特点。波长调制光谱信号的二次谐波分量常作为检测信号,用于气体浓度信息的反演。利用MATLAB中的可视化建模仿真平台Simulink,模拟了基于TDLAS的波长调制光谱信号,利用锁相放大原理提取二次谐波分量。采用数字锁相,正交双通道结构实现锁相算法。通过比较不同调制系数下二次谐波信号的变化情况,分析了二次谐波信号与调制系数的关系,以便确定最佳参数,用于二次谐波的提取。

基于可调谐半导体激光吸收光谱的氧气测量方法的研究

O2是工业过程中广泛应用的重要气体，在工业生产环境下实现O2浓度的快速在线检测对提高燃烧效率和节能减排具有重要的意义。可调谐半导体激光吸收光谱谐波探测技术是一种具有高灵敏、高选择性、快速响应等特点的气体检测新技术，该技术利用了半导体激光器的可调谐和窄线宽特性，通过精心选择待测气体的某条吸收线可排除其他气体的干扰，实现待测气体浓度的高灵敏快速在线检测。文章以可调谐分布反馈（Distributed feedback，DFB）半导体激光器作为光源，通过波长调制方法对760nm附近氧气某一吸收线的二次谐波信号测量，从而实现了对氧气浓度的快速在线检测。系统指标达到：检测范围0．01％～20％；检测精度0．1％；长期稳定性1％。

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。

基于可调谐半导体激光吸收光谱气体检测仪的数据采集与实验分析

可调谐半导体激光吸收光谱技术是一种具有高灵敏、高选择性、快速响应等特点的气体检测新技术,它利用了半导体激光器的可调谐和窄线宽特性,通过精心选择待测气体的某条吸收线可排除其它气体的干扰实现待测气体浓度的高灵敏快速在线检测。讨论在工业环境下气体检测系统中数据采集与信号处理方法,分析了实验结果。在工业数据采集和处理系统中如何提高实时性和通用性,是设计者首要解决的问题。在VC++环境下,多线程技术和面向对象方法,实现了实时数据采集,不存在采集丢点问题,成功地实现了数据的准确完整性与实时性,并且在新的数字信号处理中提高了系统的测量精度、重复性和稳定性,满足了工业气体在线检测的需要。

可调谐二极管激光吸收光谱法监测大气痕量气体中的浓度标定方法研究

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,获得被测气体的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者定量分析。在空气痕量气体检测中,一般需要和长光程吸收池相结合使用。可调谐二极管激光吸收光谱法就是在可调谐二极管激光器与长光程吸收池技术相结合的基础上发展起来的一种新的痕量气体检测方法。这种方法不仅精度较高,选择性强而且响应速度快。已经广泛用于大气中多种痕量气体的检测以及地面的痕量气体和气体泄漏的检测。在大部分痕量气体检测仪器中需要精确地对检测气体进行在线的浓度标定,文章介绍了一个简单而精确的浓度标定方法,从理论上进行了分析,然后通过实验证明了这种方法的可行性。

CO和CO_2的1·58μm波段可调谐二极管激光吸收光谱的二次谐波检测研究

红外可调谐二极管激光吸收光谱技术作为新的痕量气体监测分析方法,在大气化学研究和污染气体监测中得到了应用。文章介绍利用可调谐二极管激光吸收光谱学(TDLAS)技术对常压下的CO和CO2的近红外波段光谱静态测量研究和洛伦兹线型下的CO2二次谐波光谱与调制度的关系。

基于TDLAS技术的水汽低温吸收光谱参数测量

精确的气体光谱参数对气体浓度、温度等的光谱精确反演测量具有十分重要的意义,针对当前主流光谱数据库(例如HITRAN)中数据与实际数值存在相当误差的问题,自主研制了一套基于静态冷却技术的低温光谱实验平台,用于精确测量低温下的气体吸收光谱参数.运用该低温光谱实验平台,采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术测量了温度为230—340 K、压强为10—1000 Pa时7240—7246 cm^(-1)波段的纯水汽振转跃迁光谱.采用Voigt线型多峰拟合方法,获得了5条水汽振转跃迁谱在不同温度、不同压强下的积分吸光度值及洛伦兹展宽值,运用线性拟合的方法得到这5条吸收线的自展宽半峰全宽系数及参考温度下的线强值.运用不确定度传递公式,计算得到实验结果的不确定度,与HITRAN2012数据库中的线参数进行对比,所测的5条吸收线中实验结果与数据库值最大相差10.96%,且实验结果的不确定度为1.11%—2.98%(置信概率p=95%,包含因子k=2),小于HITRAN2012数据库值的不确定度.

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。

利用可调谐激光吸收光谱技术对光路上气体温度分布的测量

利用可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS),扫描多条吸收谱线以实现气体温度分布的测量。文章给出了温度分布测量的原理和方程离散化的方法,在气体浓度和压力均匀时,利用带约束最小二乘法计算得到温度分布。根据HITRAN中6330cm-1附近的4条CO谱线的参数,建立了温度在300和600K时,路径长度均为55cm的两段温度分布模型,模拟了测量误差与温度区间长度约束条件的影响。结果表明随着测量误差的增大和约束条件的减弱,计算结果误差相应增大。在5%的测量误差下,计算结果的最大误差为11%,平均误差为2.2%。以管式炉中的高温段和室温下的低温段作为两段温度分布模型进行试验。利用6 330cm-1处的垂直腔面发射激光二极管(VCSEL)扫描得到的4条CO谱线,通过背景信号的三次多项式拟合得到基线,求出温度分布计算所需的光谱吸收率积分值。在四种情况下,计算温度分布结果与模型误差分别为7.3%,6.5%,4.7%和2.7%。

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.