摘要：可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)具有高灵敏度、高选择性和快速响应等特点,被广泛应用于环境监测、工业生产监控和生物医疗等众多领域。为克服传统TDLAS技术成本高以及长时间工作过程中由于中心波长偏移造成的稳定性差等问题,提出了利用多模二极管激光关联光谱和谐波检测技术实现氧气浓度在线监测的研究。以Fabry-Perot(FP)激光器为光源,通过对760nm附近氧气分子的多条吸收谱线的探测,实现了对氧气浓度的测量。输出光束被分光系统分成两路信号,分别经过样品池和测量池,双路接收采集含有气体浓度信息的光信号送后级处理,通过测量信号和参考信号之间的相关性及比例关系对氧气浓度进行反演,其中关联光谱技术和谐波检测技术被用于提高系统稳定性和信噪比。结果表明,在1个大气压条件下,系统的探测极限为280ppm·m,对同一样品在30min内的30次连续测量的标准偏差为0.056%,表明了系统良好的稳定性。该系统在软、硬件上的设计可以满足氧气的在线监测,且系统稳定性高、装置简单、易用,便于复杂环境应用。

摘要：在实际高温气体探测工况下,温度的变化往往会对所测气体谱线参数测量结果带来不同程度的影响,且有时难以实现实时在线测量。因此该研究旨在设计加工一个新型高温样品池模拟高温环境,并在其基础上搭建一套可调谐二极管激光吸收光谱测量系统用来对目标气体高温环境下的光谱进行探测,实现对谱线参数的精确检测。针对高温样品池的设计,采用Comsol对样品池材料的固体导热特性进行模拟分析,从而确定最佳加工所需尺寸和材质。经检测,设计加工后的高温样品池具有良好的性能,可在300~1000 K温度范围及-0.1~10 atm压力范围内工作,在1000 K温度下样品池温度的最大偏差为20 K;在真空条件下,当温度为300和1000 K时分别测量到的气体泄漏速率为5和10 Pa·min^(-1)。使用中心波长为1573 nm的分布反馈(DFB)半导体激光器作为光源测量了HITRAN2016数据库中参数较为准确的CO分子的部分高温光谱,并把依此反演得到的谱线参数与HITRAN数据库进行对比分析,误差基本在5%以内,证明了所设计加工高温样品池的良好性能,可为高温环境下的气体谱线参数测量提供帮助。

摘要：化石燃料燃烧过程中产生的碳烟颗粒物是大气细粒子(PM2.5)的主要来源,这些大量产生的碳烟颗粒物也是影响燃烧效率的重要因素;乙炔(C_(2)H_(2))作为碳烟生成的重要前驱体,在碳烟生成过程中起到关键作用;因此,发展能够同时对碳烟颗粒物及C_(2)H_(2)浓度进行在线测量的方法,对于碳烟生成机理的研究具有重要意义.本文选择中心波长1540 nm的可调谐二极管激光器作为光源,利用多通吸收方式搭建探测系统,在自行设计的气固两相高温静态池中使用C_(2)H_(2)-N_(2)混合气体载带石英砂颗粒模拟颗粒物环境,通过获取6490.02 cm^(-1)处C_(2)H_(2)目标谱线附近的一段消光光谱信号,并从中分别提取出与颗粒物有关的消光信号和与C_(2)H_(2)有关的吸收信号,从而实现了对颗粒物质量浓度和气体体积浓度的同时测量.测量结果表明,在500-1000 K温度范围内颗粒物质量浓度和气体体积浓度的测量值与参考值之间的平均偏差分别为2.73%和5.17%,说明了本技术对于气体与颗粒物同时测量的良好性能.

摘要：利用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术对气体进行长时间实时监测时,激光器波长的漂移会给测量精度造成较大的影响。为了消除这种影响,利用Lab-VIEW设计的数字比例积分微分(PID)算法和软件数字锁相,将激光频率锁定在待测气体的吸收峰上。采用1.653μm的分布式反馈(DFB)半导体激光器作为光源,结合100 m离散型Herriot吸收池,选择空气中的甲烷作为研究对象,对系统性能进行了测试和分析。结果表明,该系统可以将激光器稳定在±0.001 cm-1范围内,对激光器的漂移起到了很好的抑制作用。系统使用二次谐波测量时1 s积分时间内检测限约为1.8×10-8体积分数,可以满足环境空气中甲烷的长时间监测。该方法可以直接应用于其他痕量气体探测、燃烧诊断等领域。

摘要：设计了一种气固两相高温光学样品池,模拟同时存在颗粒物的气体探测环境,并通过搭建可调谐二极管激光吸收光谱测量系统,对颗粒物环境下的温度与乙炔体积分数测量技术进行研究。使用质量流量计配置体积分数为0.1%~1%的乙炔气体,并设计颗粒物播撒装置,将直径为125μm的石英砂颗粒与不同体积分数的乙炔气体混合通入样品池,在样品池外侧设置纤维加热腔进行温度控制,产生不同温度的样品环境。使用中心波长为1540 nm的DFB激光器,通过对6489.07 cm^(-1)与6490.02 cm^(-1)位置处的一对乙炔吸收谱线进行同时探测,实现了对温度与乙炔体积分数的同时测量。分析发现,500~1000 K温度范围内的温度测量一致性R2≈0.998,相对平均标准偏差为3.05%,乙炔体积分数测量一致性R2≈0.995,相对平均标准偏差为2.65%。此系统满足颗粒物环境下气体光谱探测研究的需求,可为气固两相环境下的光谱探测技术研究提供参考。

摘要：利用石英音叉增强型光谱技术(QEPAS)结合基于Lab-VIEW设计的数字频率锁定技术建立了一套气体实时探测系统,该方案使用3f信号作为误差反馈信号,将激光器锁定在待测气体吸收峰的中心位置,保证了长时间测量的准确度并且提高了探测效率.实验中采用中心波长位于1.396μm的DFB半导体激光器作为光源,选择常压下空气中的水汽作为研究对象,对系统性能进行了测试,并对影响影响系统探测灵敏度的主要因素进行了分析.实验结果表明,该系统可以将激光器稳定在±0.001 cm^(-1)范围内,对激光器长时间工作时的波长漂移起到了很好的抑制作用,系统的检测限约为1 ppm,该方案可以直接应用于工业气监测、痕量污染物实时测量等领域.