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可调谐二极管激光吸收光谱测量真空环境下气体温度的理论与实验研究

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物理学报 2014年第8期63卷 97-105页

作者：蓝丽娟丁艳军贾军伟杜艳君彭志敏清华大学热能系电力系统与发电设备控制与仿真国家重点实验室北京100084 北京东方计量测试研究所北京100086

真空环境不仅会导致热电偶等温度传感器表面材料解吸,而且其传热机理也与常压不同,因此采用常压下校准和溯源的温度传感器测量真空环境下气体温度存在诸多不确定性问题,为此,本文利用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)测量真空环境... 详细信息

真空环境不仅会导致热电偶等温度传感器表面材料解吸,而且其传热机理也与常压不同,因此采用常压下校准和溯源的温度传感器测量真空环境下气体温度存在诸多不确定性问题,为此,本文利用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)测量真空环境下气体温度,探索TDLAS温度测量技术在真空环境下的应用前景,在模拟热真空实验过程中,首先将真空气室浸没于恒温槽中,然后利用TDLAS测量真空气室中气体温度,同时利用一等标准铂电阻测量恒温槽的温度,试验结果表明:TDLAS和一等标准铂电阻测量得到的气体温度和恒温槽温度具有高度的一致性,两者之间的误差在恒温槽温度稳定时不超过±0.2℃。

关键词：可调谐二极管激光吸收光谱温度测量真空环境波长调制法

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基于TDLAS的近红外甲烷高灵敏检测技术

光子学报 2024年第3期53卷 243-250页

作者：刘海芹徐睿王振翔赵天琦赵春柳石岩陈亮中国计量大学光学与电子科技学院杭州310018 中国计量大学国家市场监管重点实验室(光传感与图像计量) 杭州310018

为增强甲烷气体检测技术的气体吸收率,提高检测灵敏度,利用可调谐二极管激光吸收光谱技术,采用中心波长为1 653.7 nm的分布反馈激光器作为光源,研制了有效光程为14.5 m的Herriott型气体吸收池,并采用波长调制光谱法进行甲烷气体浓度检... 详细信息

为增强甲烷气体检测技术的气体吸收率,提高检测灵敏度,利用可调谐二极管激光吸收光谱技术,采用中心波长为1 653.7 nm的分布反馈激光器作为光源,研制了有效光程为14.5 m的Herriott型气体吸收池,并采用波长调制光谱法进行甲烷气体浓度检测。结果表明,二次谐波峰值信号与甲烷气体浓度成较强的线性关系,线性度为0.998 52,检测下限为4.82 ppm;初始积分时间为1 s时的Allan方差为6.37 ppm;积分时间到112 s时,Allan方差为427 ppb,检测灵敏度为4.27×10^(-7)。

关键词：可调谐二极管激光吸收光谱甲烷气体检测波长调制法高灵敏 Herriott腔

真空环境下基于TDLAS温度测量与校准的实验研究

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真空科学与技术学报 2014年第12期34卷 1399-1404页

作者：贾军伟张书锋彭志敏柴昊闵剑栗继军张明志北京东方计量测试研究所北京100086 清华大学热能系北京100084

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术可用于气体温度的高精度快速测量,但目前TDLAS技术研究一般集中在正压范围,真空环境下该技术的应用研究较少。本文利用波长调制法对TDLAS进行真空下温度测量的溯源性和误差进行了实验研究并进行不... 详细信息

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术可用于气体温度的高精度快速测量,但目前TDLAS技术研究一般集中在正压范围,真空环境下该技术的应用研究较少。本文利用波长调制法对TDLAS进行真空下温度测量的溯源性和误差进行了实验研究并进行不确定度分析。实验以一等标准铂电阻温度计作为标准,以高精度恒温槽作为温源,采用自研的真空下温度校准装置,选取C2H2分子6558 cm-1附近处谱线对进行真空下的温度测量。实验结果表明:在中低温范围内,采用C2H2作为分析气体,TDLAS测温具有良好的稳定性和灵敏度,同一等标准铂电阻的误差不超过±0.2℃,测量结果的扩展不确定度U=0.24℃,k=2。

关键词：真空温度测量可调谐二极管激光吸收光谱波长调制法

基于TDLAS技术的硫化氢气体检测系统设计与性能研究

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基于TDLAS技术的硫化氢气体检测系统设计与性能研究

作者：徐媛媛重庆理工大学

学位级别：硕士

硫化氢（HS）气体是一种有毒有害气体,在一定浓度下HS气体会危害人体的健康乃至生命。近年来,因HS气体的泄漏而危害人体安全的事件时有发生,因此,对HS气体浓度进行实时精确的检测研究具有极其重要的意义。在多种气体检测原理中,光学检... 详细信息

硫化氢（HS）气体是一种有毒有害气体,在一定浓度下HS气体会危害人体的健康乃至生命。近年来,因HS气体的泄漏而危害人体安全的事件时有发生,因此,对HS气体浓度进行实时精确的检测研究具有极其重要的意义。在多种气体检测原理中,光学检测是目前主要研究趋势,而在多种光学检测方法中,可调谐二极管激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS）技术根据输入电流的变化,使得可调谐半导体激光器的窄线宽和波长也随之变化,使其可实现对单个或几个距离很近并且难以分辨的分子吸收线进行检测,可实现对痕量待测气体的定性和定量分析,并且有选择性好、响应快、适应能力强、分辨率高以及可实现远程测量的优势,因此本文基于TDLAS技术,对HS气体浓度检测系统进行了搭建和研究。论文首先对基于TDLAS技术的HS气体检测系统进行理论研究,并在MATLAB中建立Simulink仿真模型对系统进行验证,初步确定研究方法及实现方向。即在光源部分,利用波长调制法提升系统的整体信噪比,气体吸收部分通过对长光程气室的设计提升检测信号的强度,后端信号处理部分通过全程数字处理的方式使信号抗干扰性更强,降低系统噪声,且在可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）中处理使设计更加灵活,可扩展性更强。其次,对该气体检测系统的搭建,主要分为光源、气室和数据处理三个部分。第一部分光源:选择1578.504nm处作为本系统研究的HS吸收中心谱线,并选择分布式反馈激光器（Distributed Feedback Laser,DFB）作为发光光源,驱动器调谐其电流与温度使其工作,光纤准直器对出射的激光进行汇聚整形后入射气体吸收池。第二部分气室设计:选择赫里奥特（Herriot）型长光程吸收池进行设计,在ZEMAX光学仿真软件中对反射镜片各个参数和反射光路进行研究,最终得到在腔长为20.5mm时,达到96次的反射,实现20.09m的反射光程的Herriot气池,且对其实际光路进行调节标定得到19.89m的长光程的气室,其后又用Solid Works软件对气室机械结构进行了设计,并加工进行测试,且在气室末端设计尾气处理装置对HS气体进行收集处理。第三部分设计基于FPGA的信号处理系统,设计了模拟数字转换器（Analog-to-digital converter,ADC）、锁相放大器、浓度反演和数码管显示四部分。并分别进行时序和功能验证,最终进行联合调试验证其性能,经过验证可知该部分程序设计可以实现对痕量HS气体浓度的检测。最后,对整体系统的测试及性能研究。通入10-100ppm的HS气体,对其进行标定,得到0.99的线性拟合度,可得到系统灵敏度为0.28m Vq/ppm,分辨率为3.6ppm/m Vq。且经过验证表明系统稳定性较好。且系统检测限在1s时积分时间内可达到3.68ppm,在积分时间为61s时,系统的检测限为0.14ppm。并验证系统测量误差较小,在可容许误差范围内,程序设计能够满足系统设计要求,做到浓度信息的精确获取。实现了痕量HS气体的在线测量系统研究。

关键词： TDLAS技术波长调制法 Herriot长光程气室 FPGA 数字锁相放大器

基于TDLAS技术的甲烷检测系统实现方法研究

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基于TDLAS技术的甲烷检测系统实现方法研究

作者：刘玉山重庆理工大学

学位级别：硕士

甲烷（CH）是一种无色无味的清洁能源,城市生活所用的天然气中含有百分之八十五以上的甲烷气体。天然气燃烧不会产生残渣废液,不污染环境,而且资源充足丰富。我国天然气建设不断发展,逐渐进入家家户户,天然气输气管道错综复杂穿梭于城... 详细信息

甲烷（CH）是一种无色无味的清洁能源,城市生活所用的天然气中含有百分之八十五以上的甲烷气体。天然气燃烧不会产生残渣废液,不污染环境,而且资源充足丰富。我国天然气建设不断发展,逐渐进入家家户户,天然气输气管道错综复杂穿梭于城市之中。同时,甲烷也是瓦斯的主要成分,在矿场中,瓦斯气体的渗透性强,扩散快,浓度过高会导致窒息、自燃和爆炸等煤矿事故,严重威胁煤矿生产安全。此外,甲烷是全球主要的温室气体之一,大气中甲烷浓度过高,会加重温室效应,导致极端气候变化,威胁人类的生存环境。实现对甲烷气体浓度的精确快速检测可以应用于天然气管道泄漏检测,瓦斯浓度预警以及大气环境测量等领域,不仅可以有效保障人们的生活生产安全,而且可以监测大气环境,提升人们的生活质量。本论文对基于可调谐激光二极管吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS）技术的甲烷浓度检测技术展开研究。与传统检测方法对比,TDLAS技术具有响应时间快、检测精度高、长时间测量稳定等特点,主要应用方法有直接吸收法、波长调制法,波长调制法相对直接吸收法更为复杂,但是检测精度更高、抗噪声干扰能力更强,因此,本研究主要使用波长调制技术设计了基于TDLAS技术的甲烷检测系统研究。主要研究内容如下:（1）工作一:探究TDLAS技术检测气体的原理和方法。首先,了解激光吸收光谱的技术原理,结合Beer-Lambert定律,推导波长调制法的理论公式。在理论学习基础上,设计基于MATLAB软件平台的Simulink模块的TDLAS气体检测模型仿真。对不同甲烷气体浓度下,经过正交锁相法得到的二次谐波信号并分析,验证了气体浓度与二次谐波幅值呈线性关系,以仿真数据作为参考,协助搭建甲烷气体检测平台。（2）工作二:完成基于TDLAS技术的甲烷气体浓度检测系统样机的搭建与测试。样机光源部分由DFB激光器及激光驱动器组成,通过光纤准直器输出准直激光源;气体吸收部分是一个Herriott型长光程气室,由混气仪配置不同浓度甲烷气体;使用THORLABS公司生产的砷镓铟光电探测器做光电信号的转换;数据采集及处理部分是通过数据采集卡进行数据采集,通过LabVIEW软件设计的数字锁相放大器提取二次谐波信号以及设计人机交互界面,简化检测流程,方便操作和观察。所设计的甲烷浓度检测样机实现了20ppm以上的甲烷气体浓度的检测,初步实现甲烷浓度的检测功能。（3）工作三:对检测系统电路进行改进。自行设计了DFB激光器驱动包括恒流源电路、温度控制电路以及加法电路,用于驱动DFB激光器;设计I/V转换电路,实现光电信号的转换;设计了锁相放大电路,提取二次谐波信号,实现光吸收信号与二次谐波信号的同步提取。电路改进工作很好的解决了模块间接线复杂,体积较大的缺点,实现了二次谐波信号与驱动输入信号的同步检出,实时检测功能,同时提高了检测信号的检测精度和检测限,实现了0-90ppm的甲烷气体标定,验证了系统的重复性、稳定性。经过Allan偏差分析,在积分时间为1s时,系统检测限为1.814ppm,增加积分时间到75s时,系统检测限为0.326ppm,实验采用STM32开发板稳定采集了二次谐波信号,为系统的小型化、智能化改进做好准备。

关键词： TDLAS技术甲烷气体浓度检测波长调制法 LabVIEW数字锁相放大器模拟电路锁相放大器

基于可调谐激光技术的煤矿用乙烯痕量气体检测系统研究

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基于可调谐激光技术的煤矿用乙烯痕量气体检测系统研究

作者：梁博煤炭科学研究总院

学位级别：硕士

我国很早就有煤炭,煤炭本身就具有很强的自燃性,在多样化的煤田开采中极易发生自然且自燃煤层的矿区分布较广。而煤自燃早期预测预报是防治煤层自燃的关键,乙烯对于煤炭火灾的预测测量其温度范围小,我们只需要判定是否在这个温度范围内... 详细信息

我国很早就有煤炭,煤炭本身就具有很强的自燃性,在多样化的煤田开采中极易发生自然且自燃煤层的矿区分布较广。而煤自燃早期预测预报是防治煤层自燃的关键,乙烯对于煤炭火灾的预测测量其温度范围小,我们只需要判定是否在这个温度范围内便可提前预测煤炭井下火灾的提前预知,所以将乙烯作为井下预测火灾的重要指标气体,它是最理想的煤炭火灾中期预测预报指标气体。利用基于可调谐二极管激光吸收光谱学(TDLAS)的气体检测技术可实现准确度高、响应速度快,且在不需要采样的同时便可实现多参数同时检测和无需手动标定等优势,成为实时在线检测气体方法中发展速度最快的1种。本文研究的主要目的是开发出适用于井下的痕量气体乙烯检测系统,以期实现能达到1 × 1 0-6以下检出限的超痕量气体检测系统。而同时其他痕量气体的检测也大多数可以在本系统中实行,说明了本系统具有很强的适用性,同时对痕量气体检测起到了参考作用。通过对气体分子吸收光谱本身特性的研究进行分析并利用波长调制法通过在激光器驱动电流上加载高频调制信号而实现对激光输出频率的调制,并对调制系数及调制频率进行优选,并从仿真出的二次谐波的波形图中完成在1626.03nm处的二次谐波峰值的浓度拟合,并从中推导出之间的拟合关系式;并利用小波变换方法实现噪声去除和基线校正两个问题的同时解决;并通过实验的方式对乙烯气体吸收谱线受温度和压强的影响的变化趋势进行分析,并从中找出修正办法。通过对系统的发射与接收单元、长光程吸收池和电路系统3分进行了设计;同时设计了可进行光程长度的具有White池结构的长光程吸收池;最终完成了整个系统的设计。最后通过对系统的检测精度、本安性能、电磁兼容性能3方面做了效能测试。在检测精度方面通过与气相色谱仪的对比试验,实现对4×10-6乙烯气体的稳定检出;利用100×10-6标准乙烯气体和配气系统,在不同浓度下对系统的稳定性进行了测试,结果显示稳定后浓度的偏差小于2×10-6;通过重复性实验发现结果都小于1×10-6。为保证系统适用于井下易燃、易爆环境,对系统做了过流、过压实验及短路试验,在国家煤矿防爆安全产品质量监督检验中心顺利通过了 5种情况的火花放电实验;通过静电放电抗扰度试验、工频磁场抗扰度试验、快速瞬变脉冲群抗扰度试验及模拟震动槽中及模拟矿井环境综合测试装置对研制的系统样机进行的抗干扰能力测试,验证了系统的电磁兼容性能。

关键词：痕量气体检测乙烯波长调制法效能测试

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基于TDLAS的二氧化碳检测技术综述

测控技术 2022年第9期41卷 1-8页

作者：焦晓锋孙鹏管今哥郑永秋薛晨阳程耀瑜中北大学信息与通信工程学院山西太原030051 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室山西太原030051

精确检测CO_(2)气体浓度、控制CO_(2)气体排放是治理大气温室效应过程中最重要的部分。可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)因具有高灵敏度和高可靠性的特点,广泛应用于在线监测、微量气体检测等方面。分析了TDLAS测量气体浓度的基本原理,... 详细信息

精确检测CO_(2)气体浓度、控制CO_(2)气体排放是治理大气温室效应过程中最重要的部分。可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)因具有高灵敏度和高可靠性的特点,广泛应用于在线监测、微量气体检测等方面。分析了TDLAS测量气体浓度的基本原理,重点介绍了直接吸收法和波长调制法并比较了两种方法的优缺点,随后介绍了近几十年来国内外应用TDLAS技术在气体检测方面取得的研究进展。最后总结了基于TDLAS的二氧化碳气体检测技术,并对其未来应用进行了展望。

关键词： CO_(2)气体浓度可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS) 直接吸收法波长调制法