摘要：为了加快气体吸收光谱分析算法的求解速度、重构算法的硬件逻辑,采用现场可编程门阵列(FPGA)器件,结合波长调制光谱技术,研制了一种硬件可重构波长调制甲烷传感器。根据应用功能需求,可在硬件层面重构逻辑电路,从而更新系统工作模式和探测参数。采用流水线技术,对光谱分析算法进行了硬件加速,光谱分析部分的输入与输出之间的时间延迟仅为4.05 ms。实验分析了该传感器在连续、间歇两种工作状态下的波形与电流,证明了该系统工作模式的可重构特性,也证实了采用间歇式工作降低激光气体传感器功耗的可行性。采用正弦信号对FPGA算法部分的功能进行了测试,结果表明,测得的信号幅值与输入信号幅值的线性度达到了99.99%。采用中心波长为2334 nm的分布式反馈激光器作为光源、光程为25 m的赫里奥特气室作为气体吸收池,开展了甲烷检测实验。传感器的线性度为99.97%,响应时间约为4.9 s。艾伦方差结果表明,当积分时间为0.5 s时,传感器的检测下限为7.8×10^(-6)。开展的甲烷泄露实验证实了该传感器的现场应用能力。设计的FPGA算法,通过硬件编程,可实现传感器工作模式与参数的灵活重构,在激光气体传感领域具有较好的片上集成应用前景。

摘要：制备了下包层为氟化镁、芯层为硫系玻璃的梯形光波导甲烷传感器,采用片上波长调制光谱技术,开展了气体检测实验,将仿真结果与实验结果进行了对比,证明了基于波长调制光谱的仿真模型的准确性。狭缝波导是常用的非悬浮波导气体传感器结构,优化了下包层为氟化镁、芯层为硫系玻璃的狭缝波导传感器结构,外限制因子达到了42%。根据实验测试得到的噪声幅值,理论研究了狭缝波导气体传感器和波长调制光谱技术结合的性能,分析了环境压强和工艺误差对狭缝波导气体传感器性能的影响。本工作为基于波长调制光谱的片上气体传感器的设计提供了指导。

摘要：由于红外热释电探测器在低温环境下易发生温度漂移,导致非分散红外(NDIR)二氧化碳(CO_(2))农业火灾检测仪受低温影响较大。针对上述问题,本文设计了一种应用于-40℃低温环境的探测器温度控制系统。给出了NDIR农业火灾检测仪的原理,探究了热释电探测器温度漂移现象,在此基础上,设计了以STM32F103为核心的温度控制系统。将温度控制系统集成于火灾检测仪中,在-40℃环境温度下,将探测器温度从20℃起始温度控温,稳定在21℃的响应时间为16 s,温度波动的1σ值为0.0126℃,响应时间和稳定性均满足低温环境下的控温需求。在控温条件下,对传感器进行了标定,将气体标定实验得到的吸收通道与参考通道电压信号的一次谐波幅值比和标准气体浓度值进行指数拟合,拟合优度达到了99.852%。利用纯氮气(N_(2))样品,对检测仪进行了25 min的稳定性测试,测得的浓度波动范围为-28.12876×10^(-6)~27.2405×10^(-6)。引入Allan方差进行评估,当积分时间为0.25 s时,检测下限为1.21301×10^(-6);当积分时间为114.75 s时,理论上系统的检测下限可达到4.8225×10^(-7)。实验结果表明,该温度控制系统可以保证火灾检测仪在低温环境下的正常工作。

摘要：红外光谱技术因分子吸收截面较小限制了其灵敏度,采用光学性质相似且价格更低的银阵列替代金阵列,在节约成本的同时,利用表面增强红外吸收效应,以提高微量分析物的检测灵敏度。分别设计了微米尺度的中空十字形与六边形天线阵列结构,使用时域有限差分算法进行数值仿真,研究了天线尺寸对超表面光学性能的影响。利用紫外曝光技术,以银作为沉积金属,实现低成本、大尺寸天线阵列的制备。利用傅里叶红外光谱仪测量超表面基底,在400~800 cm^(-1)的中红外波段实现了表面增强吸收,十字形天线与六边形天线结构的消光系数最高分别可达20%与24.5%。为了评估超表面的传感性能,分别在硅基底和六边形结构的超表面基底上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯,六边形天线结构在483.14 cm^(-1)处实现了2.85倍的增强吸收,增强因子为1995。

摘要：基于非分散红外吸收光谱技术,利用CO气体分子在4.6μm处的基频吸收带,采用宽带红外热光源和双通道热释电探测器,研制了一种用于早期火灾探测的红外CO传感系统。根据系统检测原理,对CO分子在红外波段的吸收谱线进行了选择;推导了光学矩阵理论,设计并优化了气室结构,优化后气室的吸收光程达到180 cm。对研制的锁相放大器进行标定,1σ检测下限为0.15μV,背景噪声为38.89~43.23μV。对传感系统的性能进行了实验测试。结果显示,CO的检测分辨率优于2.00×10^(-5),响应时间为35~38 s。对纯氮气(N_(2))样品进行了长达80 min的监测,其浓度波动范围为-1.42×10^(-5)~1.51×10^(-5),当积分时间为0.25 s时,系统的检测下限为1.54×10^(-6);当积分时间为300 s时,系统的理论检测下限可达3.50×10^(-7)。引入卡尔曼滤波算法来提高系统的稳定性,对纯氮气进行长达80 min的探测,引入该算法后系统的检测下限降低到原来的23%,同时,当积分时间为0.25 s时,检测下限降低到3.60×10^(-7)。利用该传感系统,开展了棉花、纸张和木材的火灾阴燃实验,研究了CO浓度随阴燃时间的变化关系,验证了可通过CO浓度的变化来探测火灾发生的方法,证实了该传感系统呈现出良好的早期火灾探测能力。

摘要：为研究中红外波段的片上波导传感性能,针对2172.75 cm-1处的一氧化碳吸收线,提出基于InGaAs-InP平台的悬浮光子晶体波导传感器和悬浮脊形波导传感器。基于朗伯—比尔定律,通过Rsoft和COMSOL软件设计波导结构,优化了光子晶体波导的晶格常数、孔半径、中心孔半径和脊形波导的脊宽、条宽、脊高和条高。仿真结果表明,光子晶体波导和脊形波导的功率限制因子分别为250.69%和115.65%。对两种传感器进行计算和性能评估,得到两种传感器的传输损耗分别为27.5 dB/cm和3 dB/cm,最佳波导长度分别为72μm和162μm。设定探测器最小可检测信噪比为10,得到两种传感器的最小可检测气体浓度分别为9.13×10-6和8.51×10-6。讨论了波导传输损耗对传感器性能的影响,若能有效降低波导损耗,可进一步降低最小可检测气体浓度。对比两种传感器,光子晶体波导具有更大的功率限制因子,脊形波导具有低传输损耗和横磁模兼容性的优点。

摘要：针对可调谐激光二极管吸收光谱技术,提出用于对气体吸收信号进行分段快速傅里叶变换提取二次谐波信号的方法,将该方法与传统正交锁相放大器的谐波信号处理方法进行对比;利用MATLAB软件模拟产生乙炔气体吸收信号,分别验证正交锁相放大器和分段快速傅里叶变换算法的功能;设计基于LabVIEW软件的正交锁相放大器与快速傅里叶变换传感器信号处理平台,结合近红外1.533μm的分布反馈激光器以及自主研制的Herriot气室,建立近红外乙炔气体传感系统;利用配制的乙炔气体样品开展传感器的标定实验和Allan标准差测试实验。结果表明:两种方法都具有较好的线性拟合优度,并呈现出相似的稳定性。

摘要：由于火灾阴燃过程会产生二氧化碳(CO_(2))气体,故采用基于非色散红外(non-dispersion infrared,NDIR)原理的火灾预警系统来监测CO_(2)浓度来预防火灾事故。该预警系统基于中红外吸收光谱技术,利用CO_(2)气体分子在4.26μm处的基频吸收带,结合红外宽带热光源和双通道热释电探测器,实现了中红外CO_(2)的高灵敏检测。利用配备的CO_(2)气体样品,研究了该系统对CO_(2)气体的传感特性。由于需要将火灾预警系统放在农业机械上工作,机械振动会影响系统光路结构,因此需要对装置进行减振处理。基于杜哈梅积分模型及其在求解振动系统响应问题上的应用,设计了一种减振装置,并对该装置进行了建模仿真,结果显示振动幅度减少了82%。将该减振装置进行室外振动测试,结果显示仪器振动幅度减小了86%~87%,采用减振装置时CO_(2)测量浓度的方差相较未采用减振装置时减小了50.01%,不确定度降低了29.52%。仿真分析及室外振动实验结果表明,该减振系统的减振效果良好,具有性价比高、减振结构简单等优势,具有工程应用价值。

摘要：甲烷是瓦斯的主要成分和温室气体之一,检测甲烷浓度对于工业生产安全和人员的生命健康保障均具有重要意义。本文设计了一种用于甲烷检测的共轴石英音叉增强光声光谱系统,利用石英音叉较高的品质因数克服了传统光声光谱技术中麦克风易受环境噪声干扰的缺点。设计了小型化气室,其体积仅为3 cm×2 cm×1 cm,简化了检测系统的结构。结合波长调制技术,分析了二次谐波信号幅值与调制深度的关系,实验得到的最佳调制电压幅度为0.175 V,对应的调制深度为0.169 cm^(-1)。对甲烷浓度(体积分数为5×10^(-4)~5×10^(-3))和二次谐波信号幅值进行拟合,线性度为0.99791;采用Allan方差分析了系统的稳定性,当平均时间为5 s时,系统的检测下限为4.337×10-5。基于小体积光声池的光声光谱气体传感器具有体积小、质量轻、成本低的优点,更适合于便携式传感应用。