摘要：为了实现对火灾的早期探测,设计了一种高精度、高灵敏度CO传感器。该传感器以激射波长的为2.33μm的连续型分布反馈激光器为光源。采用波长调制光谱(WMS)技术与一次谐波量化的二次谐波检测方法相结合的研究手段,对典型环境压力下复杂、重叠的光谱吸收特征进行分离,从而实现了良好的选择性和较高的灵敏度。基于Allan Werle方差的系统长期稳定性评估分析表明,系统的检测限(LoD)为1.18μL/L;当积分时间达到205s时,系统能够实现0.08μL/L的测量精度。最后,纸、棉花以及松木等容易产生阴燃的可燃物燃烧实验表明,所研制的传感器具有良好的早期火灾探测能力。

摘要：基于可调谐半导体激光吸收光谱技术及波长调制技术,采用波长为1 654nm的分布反馈激光器,结合开放式光学探头以及高灵敏度的铟镓砷光电探测器,研制了近红外甲烷气体检测系统。自主设计研发了分布反馈激光器驱动电路,主要包括模拟PID温度控制电路与电流驱动电路。其中,温度控制电路具有较高的控制精度及稳定性,长时间工作时激光器温度波动小于±0.02℃,温度与激光器波长呈线性变化。温度不变时,改变驱动电流可以使激光器中心波长线性变化,同时还提供了5kHz正弦波和10 Hz锯齿波的调制信号,用于谐波检测。为了提取差分信号的一次谐波及二次谐波,研制了正交锁相放大器,一次谐波和二次谐波的提取误差分别为3.5%和5%。系统中采用的开放式光电探头通过一次反射,使有效吸收光程增加了一倍,达到了40cm。通过对1%~5%的甲烷气体进行检测,成功提取了一次及二次谐波,得到了气体浓度与谐波信号幅值的拟合关系曲线。在更换不同输出波长的激光器后,该系统还具有检测其他气体的能力。

摘要：A mid-infrared carbon dioxide(CO_2) sensor is presented for the application in greenhouse environment. An integrated multi-pass gas chamber and a dual-channel differential detection method are adopted to decrease response time and suppress environmental influence, respectively. An optical module is developed using a cost-effective wideband mid-infrared light source, a dual-channel pyre electrical detector and a spherical mirror, and the moisture-proof function is specially designed for enabling the application of this sensor in greenhouse with high humidity. Experiments are carried out to evaluate the sensing performance on CO_2 concentration. According to the experimental results, the limit of detection(Lo D) is about 3×10^(-5) with an absorption length of 30 cm. The relative detection error is less than 5% within the measurement range of 3×10^(-5)—5×10^(-3). Based on 10 h long-term stability measurement on 5×10^(-4) and 2×10^(-3) standard CO_2 samples, the maximum fluctuations are 1.08% and 3.6%, respectively. By using a 2.4 GHz wireless network communication system for remote monitoring and data recording, a field measurement of this sensor in a greenhouse is conducted, and good performance is proven in such circumstance.

摘要：为了实现基于可调谐激光吸收光谱技术的高检测灵敏度、低功耗、小型中红外痕量气体传感器设计,结合锑化镓(GaSb)ICL和紧凑型多反射气体吸收气室(MPC)研制了基于不同结构传感光学核的两个小型TDLAS传感系统。两个传感光学核的总功率消耗为3.7 W,并通过探测甲烷(CH4)和甲醛(CH2O)分别验证了双层结构和单层结构系统的性能。实验结果表明:CH4和CH2O系统的检测灵敏度分别为5.0nL/L和3.0nL/L,测量精度分别为1.4nL/L和1.0nL/L。此外,相同配置情况下将两种结构系统应用于甲、乙烷(C2H6)同步检测,通过对校园环境中甲、乙烷进行连续66h的监测试验,验证了设计的紧凑型中红外痕量气体检测系统能够稳定有效地工作,基本满足目前民用气体测量的稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。

摘要：为了实现检测系统的便携化、小型化和较强的数据处理能力,结合ARM 11嵌入式处理器和LabVIEW数据处理平台,设计并实现了一种嵌入式中红外差分甲烷检测系统。在软件方面,选用S3C6410作为主处理器、WinCE作为嵌入式操作系统,采用Platform Builder工具对该系统的内核文件进行裁剪定制以及移植安装;采用具有较强数据处理能力的LabVIEW作为数据处理平台,通过Touch Panel模块编写并生成可直接运行于WinCE系统的应用程序来处理传感信号。在硬件方面,选用双通道集成传感器IR12GJ,其输出的两路传感信号经前端电路放大和滤波处理后,由数据采集卡对其进行采集并传输给LabVIEW软件程序,经数据处理后获得甲烷浓度。基于所集成的系统,开展了气体标定、误差测量以及系统稳定性实验。实验结果显示,本系统对甲烷气体浓度的检测范围为0~6.5%,对12种气体样品的相对检测误差小于10%。对浓度为0.5%的气体样品进行了长达4小时的稳定性检测,除个别突变点外,最大误差为8.3%。本文所设计的检测系统结合了嵌入式系统体积小以及LabVIEW数据处理能力强的优点,从而具有较好的应用前景。

摘要：为保证分布反馈激光器在一氧化碳气体浓度检测中能满足长时间工作稳定性、输出波长随温度线性变化、温度调节快速响应等要求，设计并研制了一种分布反馈激光器温控系统。该系统采用数字信号处理器与数模转换芯片设定温度，利用热电制冷器控制芯片调节激光器温度，采用模拟比例积分微分（PID）算法完成激光器恒温控制。利用研制的温控系统，对用于红外一氧化碳气体检测、中心波长为1563.06 nm的分布反馈激光器开展了温度控制实验。结果表明，该控制系统控制精度优于±0.02 ℃，小幅度调温时响应时间小于8 s。在所研制的温控系统的作用下，激光器长时间工作时中心波长无漂移。

摘要：基于可调谐激光光谱吸收法的红外气体检测,为了从差分信号中有效提取出一次和二次谐波信号,研发了一种谐波信号正交锁相放大器.采用正交锁相放大及谐波检测原理,利用Simulink软件平台构建了模拟实验系统,对其功能做了仿真和验证.采用数字信号处理器作为核心控制器,设计并制作出了谐波信号锁相放大器的系统实物,它主要由90°移相器、两路模拟乘法器、两路低通滤波器、差分信号放大器、模数转换器等构成.实验中,首先利用幅度可调的标准正弦信号作为待测信号,对锁相放大器的输出信号幅度与标准正弦信号的幅度做实验测量与对比,二者线性拟合优度高达0.999 94,最大误差小于4%,具有良好线性度;其次,将模拟吸收产生的差分信号作为待测信号,利用基频方波和二倍频方波分别作为参考信号,提取谐波信号,因二次谐波信号微弱易受噪音干扰,其误差在5%以内,一次谐波最大误差小于3.5%.系统具有良好的稳定性和性价比,在红外气体检测中具有较好的应用前景.

摘要：根据甲烷(CH4)分子在中红外波段的吸收特性并利用宽光谱红外热辐射光源(IR55),研制了一种基于中红外吸收光谱技术的双通道差分CH4检测仪。通过对双通道探测器(3.31μm和3.90μm)输出的两路信号进行差分处理,有效抑制了系统噪声。给出了系统的检测原理和结构,表征了光源和探测器的光学特性。为了提高聚光效率并增大光程,设计制作了球面反射镜开放气室,其半径约20cm。配备了16种不同浓度的CH4气体样品,开展了气体标定实验,得到了气体浓度与双通道信号幅值电压的关系表达式。误差实验结果显示,对1 6种气体样品的检测误差小于12.4%。对体积分数为5×10-4的CH4气体样品开展的长达10h的浓度测量实验表明,检测结果的相对波动范围为±10%。对测得的实验结果进行数理统计,其标准差为2.06×10-5,进而得到该检测仪的检测下限约为6.18×10-5。

摘要：利用PC机和LabVIEW平台较强的数据处理能力,设计并实现了一种基于虚拟锁相放大器的中红外CO检测系统。系统采用双通道热释电探测器检测气体浓度,利用USB数据采集卡采集探测器的传感信号,利用LabVIEW平台的乘法器、滤波器及直流幅值提取模块构建的虚拟锁相放大器提取传感信号幅度。为了表征虚拟锁相放大器的性能,利用幅度可调的标准正弦信号作为待测信号,对虚拟锁相放大器输出信号的幅度与标准正弦信号的幅度做实验测量与对比,二者呈现出良好的线性关系,线性拟合优度约为99.978%。对配备的20种CO气体样品开展气体标定实验,并测量了本文系统的精度、稳定性和检测下限等指标。实验结果显示,系统的检测下限约为50×10-6,对20种气体样品的检测误差均小于4.2%,对浓度为3 500×10-6气体样品3h测量结果的最大波动范围为±6%。由于LabVIEW资源丰富且功能可任意扩展,因此在实验室环境中的气体检测,本文系统相比采用嵌入式微处理器的系统更具有优势。

摘要：为了降低软件设计复杂度并提高分布反馈激光器发光波长的控制准确度及稳定性,设计了一种用于气体检测的半导体激光器温度控制系统,它由数字信号处理器、温度设定电路、温度采集电路、模拟比例-积分-微分电路、半导体制冷器控制电路等模块构成.利用该系统对用于水汽检测、中心波长为1 860nm的可调谐分布反馈激光器做了驱动实验,结果表明：该系统的有效控温范围为10℃~50℃,控温准确度为±0.05℃,温度稳定时间小于60s;改变温控系统的驱动电流和设定温度,测得的激光器工作波长呈现出良好的调谐特性;连续4天测得的4条光谱曲线几乎重合,表明该系统具有良好的稳定性.