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光谱学与光谱分析 2021年第2期41卷 408-413页

作者：邹丽昌黄俊李峥辉邓瑶邵国栋阮真卢志民姚顺春华南理工大学电力学院广东广州510640 广东省能源高效清洁利用重点实验室广东广州510640 广东省能源高效低污染转化与工程技术研究中心广东广州510640 广州珠江电力有限公司广东广州511458

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)由于具有高灵敏度、高分辨率、非侵入及实时检测等特点,被广泛应用于燃烧诊断、痕量气体监测、工业过程控制等领域中。波长调制光谱(WMS)的二次谐波(2f)检测是最常用的TDLAS气体传感方法之一。激光器作... 详细信息

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)由于具有高灵敏度、高分辨率、非侵入及实时检测等特点,被广泛应用于燃烧诊断、痕量气体监测、工业过程控制等领域中。波长调制光谱(WMS)的二次谐波(2f)检测是最常用的TDLAS气体传感方法之一。激光器作为TDLAS-WMS在线检测系统中最核心的部件之一,在长期运行过程中会由于其工作温度等因素变化,引起输出激光波长漂移和2f背景信号基线变化,从而导致气体浓度反演的精确度和TDLAS-WMS在线检测系统的稳定性降低。针对上述问题,根据NO气体分子在中红外波段5.176~5.189μm的基频吸收特性,选择峰值发射波长位于5.184μm的分布反馈式连续波量子级联激光器(DFB-CW QCL),分析了输出激光中心波长对应的峰值采样点位置随采样时间变化的漂移规律和2f吸收及其背景信号的漂移特性。基于上述分析,提出了以2f信号平均峰峰值替代2f信号峰值建立气体浓度反演模型以修正2f背景信号基线漂移,并结合以信噪比最优为2f背景信号波长漂移修正原则的2f背景信号漂移综合修正方法,以消除TDLAS-WMS在线检测系统长期连续检测过程中2f背景信号漂移对气体浓度反演结果的不利影响。研究结果表明,2f信号平均峰峰值随配置的NO样气浓度的增加而增大,这两者呈现较好的线性关系,其拟合曲线的线性拟合度R 2达到了0.9999。在使用体积浓度为20×10^-6 NO气体样品开展的连续60 min监测实验中,波长漂移修正后,反演浓度的标准偏差由波长漂移修正前的0.19×10^-6下降到了0.07×10^-6,反演浓度的最大相对误差由波长漂移修正前的6.30%下降到了3.85%,相对误差均方值由波长漂移修正前的24.39%下降到了9.99%。结果显示,该2f背景信号漂移综合修正方法可以有效地抑制2f背景信号漂移对气体浓度反演结果的影响,显著提高了TDLAS-WMS在线检测系统连续监测的灵敏度、精确度和稳定性。

关键词：激光吸收光谱背景信号漂移中红外谐波检测 NO浓度

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TDLAS痕量气体检测中激光器管壳温度对背景信号的影响

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光谱学与光谱分析 2018年第6期38卷 1670-1674页

作者：陈昊鞠昱韩立刘俊标中国科学院电工研究所北京100190 中国科学院大学北京100049

采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术对痕量气体的连续检测,二次谐波背景信号会随着半导体激光器管壳温度变化产生漂移,使得二次谐波波形无法保持稳定,对测量结果产生误差。基于TDLAS原理,解释了二次谐波背景信号的产生,分析了背... 详细信息

采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术对痕量气体的连续检测,二次谐波背景信号会随着半导体激光器管壳温度变化产生漂移,使得二次谐波波形无法保持稳定,对测量结果产生误差。基于TDLAS原理,解释了二次谐波背景信号的产生,分析了背景信号的来源和背景漂移对测量结果的影响,通过对背景信号的扣除获得标准的二次谐波波形,设计并搭建了一套高精度恒温控制系统,此系统搭载了风冷以及水冷模块进行辅助控温,控制精度达到±0.1℃,选取了1 796和1 653nm波长的DFB半导体激光器,通过控制两只激光器在20~44℃温度条件下来回变动,温度间隔为2℃,对获得的二次谐波背景信号进行了实验研究。研究表明:随着半导体激光器管壳温度上升,背景信号发生红移,反之发生蓝移;实验中温度每变化2℃,1 796和1 653nm的DFB激光器的背景信号分别产生了约3.2和2.67pm波长漂移;通过对半导体激光器进行控温封装,实现对半导体激光器管壳的恒温控制,可以有效地消除室温变化引起的背景信号漂移,维持测量系统的稳定性,提高痕量气体检测的精度和准确度。

关键词：气体检测 TDLAS 背景信号漂移温度特性

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基于中红外TDLAS-WMS的低浓度NO高灵敏检测技术研究

基于中红外TDLAS-WMS的低浓度NO高灵敏检测技术研究

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作者：邹丽昌华南理工大学

学位级别：硕士

随着我国对大气污染物排放标准规定愈加严格,燃煤电厂作为主要的排放源是重要的控排对象之一。其中,NOx作为主要的大气污染物之一,国家和各地方政府不断提升其排放限值标准。为了满足日趋严格的排放限值,电厂必须进行低氮燃烧改造,并利... 详细信息

随着我国对大气污染物排放标准规定愈加严格,燃煤电厂作为主要的排放源是重要的控排对象之一。其中,NOx作为主要的大气污染物之一,国家和各地方政府不断提升其排放限值标准。为了满足日趋严格的排放限值,电厂必须进行低氮燃烧改造,并利用相应的NOx脱除技术对排放烟气进行处理。SCR脱硝系统出口烟气中的NO浓度是评价SCR脱硝性能的重要指标,也是确保NOx排放浓度满足环保要求并严控氨逃逸的核心参数,所以实现低浓度NO的高灵敏检测需求异常突出。在众多气体检测方法中,基于可调谐二极管激光吸收光谱的波长调制技术因其具有灵敏度高、抗噪声干扰能力强等优点而被广泛关注和研究。然而,目前基于TDLAS的NO检测存在噪声干扰大、系统检测下限和检测灵敏度不足等问题,所以本文提出了基于中红外TDLAS-WMS的低浓度NO高灵敏检测技术的研究。本文首先介绍了TDLAS技术的基本原理及其重要参数,分析了直接吸收光谱法和波长调制光谱法的测量机制。通过分析不同波段的NO吸收峰特性,结合气体吸收谱线选取原则,选定中红外NO强吸收峰5.184μm作为测量谱线,据此搭建了NO检测系统,并对其中关键的实验器件进行了阐述。其次,阐述了TDLAS系统中存在的各种噪声,简要介绍了几种常用降噪处理方法,重点介绍和分析了经验模态分解算法,及其对二次谐波信号的降噪效果,结果显示,经经验模态分解算法降噪后,二次谐波信号信噪比比原始二次谐波信号信噪比提升了3.4倍。然后,通过实验对比了不同调制参数对二次谐波信号的影响特性,并确定了本文所搭建检测系统的最优调制频率和调制幅度分别为8k Hz和0.15V。在此基础上,通过配比不同的低浓度NO气体样品进行实验研究,建立了基于二次谐波信号的NO气体浓度反演模型,线性度达到0.99968,进而采用独立样品测试验证了低浓度NO检测的可靠性和准确性,测量结果的相对误差都比较小,测量值的最大相对误差为-2.56%。最终,针对检测系统在长期运行中出现的背景信号漂移现象,提出了背景信号漂移综合修正方法,背景信号波长漂移修正前和修正后反演浓度的最大相对误差分别为6.30%和3.85%,标准差分别为0.19×10和0.07×10,反演浓度相对误差的均方值分别为24.39%和9.99%;并利用Allan方差分析方法评价了修正后的检测灵敏度和检测限等性能指标,实验结果表明,系统的检测下限由降噪前的653×10下降到了442×10,在最佳平均时间下,系统的检测下限由降噪前的272.7×10下降到了185.5×10。

关键词：低浓度NO 可调谐二极管激光吸收光谱波长调制技术噪声背景信号漂移

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