可调谐半导体激光吸收光谱

摘要： 海洋与大气交换的CO_(2)通量是研究海-气之间碳循环过程及海洋酸化问题的重要指标,其估算方法主要依赖于海水中CO_(2)的测量。可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)作为一种常用的气体浓度检测技术,因其具有较好的环境适应性、选择性和较高的灵敏度,亦可发挥出水中溶存气体原位测量的潜力。为验证将TDLAS技术应用到海洋中溶存CO_(2)原位探测的可行性,将渗透膜脱气技术与实验室研发的TDLAS气体探测样机相结合,实现了海水中溶存CO_(2)的原位探测。为适应水下的复杂环境,样机整体被设计为铝合金密封舱结构,具有良好的密封性、耐压性与耐腐蚀性。激光光源采用中心波数位于4 990 cm^(-1)的DFB激光器,其波数扫描范围为4 992~4 994.5 cm^(-1),可覆盖CO_(2)在4 992.51和4 993.74 cm^(-1)的相邻两条吸收谱线。渗透膜采用具有优秀耐压性与透气性的Teflon AF-2400 X,可满足样机在深水区长期探测的目的。为兼顾较高探测灵敏度与较快响应速率双重指标要求,样机采用了一种小型化多次反射式气体吸收池,有效吸收光程可达8 m,内部仅需气体量24 mL,具有良好的吸收特性。在实验室对样机进行校正实验,使用样机对5种不同浓度(202.8×10^(-6),503×10^(-6),802×10^(-6),1 006×10^(-6)和2 019×10^(-6))的标准CO_(2)气体进行测量,测量值与实际值的线性相关度R^(2)高达99.94%,最大相对误差小于8%,减小了样机误差对测量值的影响。为评估样机长时间工作的稳定性,使用样机对浓度为802×10^(-6)的标准CO_(2)气体进行了30 min的连续测量,平均测量浓度为802.6×10^(-6),其波动范围仅为10×10^(-6),样机精度约为0.5%,可满足水中溶存气体探测的要求。选取水深3米的近海码头进行试验,成功获得了24 h水中CO_(2)的典型吸收光谱及浓度时间序列测量结果,验证了样机水下工作的能力与稳定性。通过在东海海域五处不同深度的区域进行现场试验,成功获取溶存CO_(2)的典型吸收光谱,证明了结合渗透膜脱气技术的TDLAS探测样机在30 m以浅水域的工作适应性。

摘要： 基于多光程吸收池的可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)系统在检测过程中容易出现噪声干扰,影响着其实际检测性能。针对这种干扰的特征进行分析,提出利用小波降噪法来改善TDLAS系统的探测性能。首先依据理论研究结果选择合适的小波函数和分解层数,然后通过这种小波对叠加干扰的仿真信号进行滤波,结果表明这种降噪技术具有良好的去噪效果。最后利用小波降噪技术处理了实验采集的不同浓度气体的直接吸收光谱(DAS)和二次谐波信号,相比于原信号,降噪后信号的信噪比从0.4增加到259,系统的检测限也达到7×10^(-6),表明小波降噪方法在气体光谱检测中具有较高的应用价值。

摘要： 为解决可调谐半导体激光器吸收光谱法(TDLAS)甲烷气体浓度测量系统中吸收线型函数选取的问题,采用TDLAS直接吸收法进行MATLAB仿真建模,分别对使用高斯线型函数、洛伦兹线型函数和福格特线型函数的检测系统进行仿真分析比较。仿真结果表明:在相同浓度下,采用洛伦兹线型函数比采用高斯线型函数和福格特线型函数的系统气体吸收率分别提高10.77%和10.32%。该仿真过程和结果可为TDLAS技术在甲烷浓度测量方面研究提供参考。

摘要： 二氧化碳浓度是氨碱法纯碱产生的主要工艺指标。介绍山东海化纯碱厂在使用人工奥氏气体分析仪及带处理系统的红外线分析仪过程中存在的问题和不足;简要介绍激光二氧化碳分析仪的工作原理、结构组成、功能、优点及特点,应用与维护,总结出激光二氧化碳分析仪在山东海化纯碱厂的安装使用情况,并阐述其在纯碱生产的作用。

摘要： 天然气水露点是关系天然气管道输送安全的重要指标之一,基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)设计开发了天然气水露点分析装置.根据天然气现场应用需求,搭建天然气在线分析计量装置并进行测试,进行了激光法天然气在线分析计量装置关键技术集成与装备试制.开展了仪器的离线标定及实验室稳定性测试,在天然气输气站现场开展了仪器的重复性测试及与冷却镜面法露点仪的比对实验.实验结果表明,在水含量0-300 μL/L范围内,仪器测量误差小于±0.5％FS,24h内仪器漂移量不超过±1％FS,实时在线测量速度不低于1次/s,与冷却镜面法露点仪比对结果在6°C以内.

摘要： 多通池(MPC)作为可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的核心器件,用于增加探测光束与待测气体样品之间的相互作用距离,从而提高探测灵敏度。近年来,随着激光光谱传感器对小型化、便携性的需求逐渐增加,小体积且长光程的多通池成为当前的研究热点。对当前主流发展的多通池设计原理和应用研究进行了综述,首先介绍了目前国际上常用的赫里奥特多通池理论计算模型和基于球面镜像差理论的双球面镜多通池计算模型,进而讨论了基于微型多通池和可调谐半导体激光的吸收光谱传感系统的搭建,以及小体积、长光程多通池的性能优势,最后展望了微型多通池的发展方向与应用前景。

摘要： 目前煤矿普遍采用基于电化学测量原理的一氧化碳检测装置,为解决其在实际应用中存在的测量精度低、标校周期短、探头寿命短、易受背景气体干扰产生误报警等问题,文章设计了一种基于TDLAS的矿用激光一氧化碳检测系统;该系统采用更低功耗的垂直腔面发射激光器(VCSEL)替代DFB激光器,以ARM和FPGA为核心,实现了一氧化碳的实时准确测量;测试结果表明,该传感器的基本误差不大于测量值的2％,响应时间小于15 s,可靠性高,能有效解决电化学原理检测装置现存的问题,对提升煤矿安全监测的可靠性,减轻设备运维的工作量具有重要的现实意义.

摘要： C H4气体的精准检测对防止矿井瓦斯爆炸,确保安全生产至关重要.目前基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)存在因温度变化导致气体浓度测量误差较大.探究了基于TDLAS的CH4气体检测系统与温度补偿方法,分析温度对CH4气体吸收谱线的影响,通过算法补偿模型消除环境温度对CH4气体检测的影响.依据TDLAS技术原理及相关理论,对系统发射单元、吸收池、信号接收单元、数据处理单元进行设计,搭建了基于TDLAS技术的CH4气体浓度检测系统,实验检测了不同环境温度(10～50°C)时0.04％CH4气体浓度,分析温度变化对CH4气体在波长为1.653μm处吸收谱线强度和半宽度的影响.为消除温度对CH4气体检测的影响并提高补偿效果,采用粒子群优化算法(PSO)优化BP神经网络(BPNN)的最佳权值和阈值,建立CH4气体的PSO-BP温度补偿模型,克服了BP神经网络收敛速度慢、易陷入局部最优的缺点.结果表明:(1)基于TDLAS的CH4气体检测浓度随环境温度升高而下降,整个实验温度内相对误差范围为4.25％ ～12.13％,不同环境温度下C H4气体检测浓度与温度之间的关系可用一元三次多项式表示;(2)CH4气体的吸收强度和半宽度随着温度的升高而下降,与温度变化之间的关系为单调递减函数,温度对CH4气体吸收谱线强度的相对变化率大于吸收谱线半宽度的相对变化率,CH4气体吸收谱线的强度更容易受温度变化的影响;(3)BP神经网络和PSO-BP模型测试样本的绝对平均误差(MAE)分别为12.88％ 和1.81％,平均绝对百分比误差(MAPE)分别为2.3％ 和0.3％,均方根误差(RMSE)分别为15.96％ 和2.69％,相关系数R2分别为0.9806和0.9996.通过建立PSO-BP温度补偿模型,补偿效果大部分分布在±1.0％ 的误差范围内,MAE,MAPE,RMSE和R2等评价指标均大幅度提升,对提高TDLAS技术在矿井C H4的精准检测具有一定的参考意义.

摘要： 针对常规氧含量检测仪工作寿命短,检测精度低,不能安装在储罐内部,造成无法对气相连通储罐内的氧含量实时监测等问题,基于可调谐半导体激光吸收光谱技术,设计开发了一种高灵敏度、现场无源、高可靠性的激光光纤氧气在线监测系统.经过实验室测试和现场应用,该系统稳定可靠,可实现对储罐及连通管道中氧含量的准确在线监测,有效降低群罐火灾风险,具有良好的推广和应用前景.

摘要： 天然气水合物资源开发备受关注,日本、中国等国家相继实施海域天然气水合物试采,证实了其资源潜力和开发可行性。目前对水合物开采过程中生产井内气体成分的监测手段尚不完善,制约了对生产过程监控及安全风险预估等工作的开展。本研究基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)原理,设计出一套CH_(4)、CO_(2)气体成分传感监测系统,并针对天然气水合物生产井工况进行小型化、抗干扰改良,最终形成设备样机。经测试验证,研制的光纤气体传感监测仪器具备对浓度>50×10^(-6)的CH_(4)、浓度>100×10^(-6)的CO_(2)稳定的测量能力。

摘要： 基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的气体传感器在气体含量检测、有毒气体泄漏遥测、大气质量监测等领域具有广泛的应用.本文根据气体吸收光谱原理,确立了氧气测量的谐波检测理论依据,设计完成了基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)的新型长光程气体池,并制作完成了氧气传感器实现氧气浓度的测量,传感器测量范围为(0～100)％,测量精度优于0.2％.在氧气测量中使用760nm的VCSEL激光器,该激光器由于其几乎等同于本征安全的工作电流和极低的功耗等优点,特别适用于恶劣的高危工况环境下的气体检测以及工业过程中氧气的在线监测等,在基于TDLAS的气体传感器中具有显著的优势和广泛的应用前景.

摘要： 天然气开采、处理和集输作为高风险的生产活动,各种形式的天然气泄漏成为影响环境与安全的隐患.由于传统检测方法存在响应速度慢、精度低、监测范围有限等弊端.因此,本文将具有灵敏度高、响应速度快、分辨率强的可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)方法应用到对天然气泄漏检测中来,结合波长调制技术(WMS)、微弱信号检测处理技术、开放长光程等相关技术方法,成功研制了对天然气集输站场、隧道管线泄漏CH4和H2S的高灵敏度、远距离、大范围连续监测装置及H2S浓度在线分析装置,并在中石化普光气田、胜利油田成功应用了50余套,完成了成套装备的产业化,有效的保障了天然气集输安全,保障了人员生命财产的安全.

摘要： 恶臭污染现象在我国已经愈发严重,由于恶臭组成复杂,瞬发性较强,在浓度较低时便可有较强的刺激性气味,一直缺乏可靠地在线检测手段.本文提出的恶臭在线检测技术,基于复合恶臭嗅辨技术、微流控芯片技术、可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)等技术,实现了实时可靠的在线检测.取样与前处理单元可以稀释污染源区域的高浓度臭气,浓缩其它低浓度监控区域的样气进行检测.开发了一套适合恶臭自动监测预警仪器的在线检测软件,和恶臭在线监测分布式云计算平台数据库,能够实现监测区域的远程监控和数据存储,便于后续数据分析和比较.该恶臭在线检测技术填补了我国多项技术空白,为我国恶臭在线检测仪器的发展奠定了基础.

摘要： 对烟道CO进行连续在线监测,是实现燃烧过程的控制和优化、减少污染气体排放的有效手段.可调谐半导体激光吸收光谱技术是一种具有高灵敏、高分辨、快速响应特点的气体检测技术.利用半导体激光器可调谐、窄线宽特性,通过检测气体的一条吸收线实现气体浓度的快速检测.实验研究了基于开放式近红外可调谐半导体激光光谱技术的烟道CO检测方法,采用光通信用分布反馈(DFB)半导体激光器作为光源,通过检测1.58μm附近CO的一条振动-转动吸收线实现对烟道气体中CO浓度的实时监测,光学系统采用开放式双光程设计,并通过背景信号拟合的方法消除烟道中消光系数变化对检测的影响.系统的检测限约为0.125g/m2(光程积分浓度),具有实时在线连续检测的能力,能够满足工业环境下燃烧炉烟道CO连续监测的要求.

摘要： 针对CNG、LNG、LPG等在我国城镇快速普及使用带来的火灾爆炸恶性事故频发、安全形势凸显的严峻形势以及长期以来传统气防监测技术存在稳定性差、易漂移中毒、非本质安全及维护成本高等实际状况,开展基于可调谐激光器吸收光谱气体监测新技术和光纤气体传感组网新技术的研究;面向市政燃气管网工程、充注站等民用及二类爆炸性气体工业环境安全监测的迫切需求,开发一种具有现场无电本质安全、抗交叉干扰、长寿命、不中毒、易维护性能的适用于天然气、石油气、煤制气及沼气等泄(渗)露动态安全监测的光纤网络化新技术系统.

摘要： 针对CNG、LNG、LPG等在我国城镇快速普及使用带来的火灾爆炸恶性事故频发、安全形势凸显的严峻形势以及长期以来传统气防监测技术存在稳定性差、易漂移中毒、非本质安全及维护成本高等实际状况,开展基于可调谐激光器吸收光谱气体监测新技术和光纤气体传感组网新技术的研究;面向市政燃气管网工程、充注站等民用及二类爆炸性气体工业环境安全监测的迫切需求,开发一种具有现场无电本质安全、抗交叉干扰、长寿命、不中毒、易维护性能的适用于天然气、石油气、煤制气及沼气等泄(渗)露动态安全监测的光纤网络化新技术系统.

摘要： 针对CNG、LNG、LPG等在我国城镇快速普及使用带来的火灾爆炸恶性事故频发、安全形势凸显的严峻形势以及长期以来传统气防监测技术存在稳定性差、易漂移中毒、非本质安全及维护成本高等实际状况,开展基于可调谐激光器吸收光谱气体监测新技术和光纤气体传感组网新技术的研究;面向市政燃气管网工程、充注站等民用及二类爆炸性气体工业环境安全监测的迫切需求,开发一种具有现场无电本质安全、抗交叉干扰、长寿命、不中毒、易维护性能的适用于天然气、石油气、煤制气及沼气等泄(渗)露动态安全监测的光纤网络化新技术系统.

摘要： 针对CNG、LNG、LPG等在我国城镇快速普及使用带来的火灾爆炸恶性事故频发、安全形势凸显的严峻形势以及长期以来传统气防监测技术存在稳定性差、易漂移中毒、非本质安全及维护成本高等实际状况,开展基于可调谐激光器吸收光谱气体监测新技术和光纤气体传感组网新技术的研究;面向市政燃气管网工程、充注站等民用及二类爆炸性气体工业环境安全监测的迫切需求,开发一种具有现场无电本质安全、抗交叉干扰、长寿命、不中毒、易维护性能的适用于天然气、石油气、煤制气及沼气等泄(渗)露动态安全监测的光纤网络化新技术系统.

摘要： 本发明公开了一种可调谐半导体激光吸收光谱中激光器温度补偿装置，包括有ARM芯片，与ARM芯片连的有温度采集及滤波模块和电源转换模块，所述的ARM芯片依次通过DAC芯片及滤波模块和激光器温控驱动与DFB激光器连接，ARM芯片依次通过激光器调制模块和激光器电流驱动与DFB激光器连接。本发明采用低温漂元件，减小了元器件温漂对激光器波长的影响，整个装置集成度高，体积和功耗比较小，有利于系统的集成和小型化，装置响应速度快，精度高，能够在1s时间内对激光器波长的变化进行修正补偿。

摘要： 本发明公开了一种可调谐半导体激光吸收光谱系统，主要包括包括用于产生信号光的光源发生模块、供所述信号光射入后往复的多镜光通池以及对所述多镜光通池进行监测的信号处理模块，通过将信号光射入往复的多镜光通池内，在保证系统便携性的同时，提高气体多通池的有效吸收光程，实现痕量气体的高灵敏度探测。

摘要： 本发明涉及一种基于特种增益光纤的可调谐半导体激光吸收光谱方法。本发明首先根据待测物质的特征吸收光谱谱线，选择一定长度的特种增益光纤；根据待测物质的特征吸收光谱谱线和特种增益光纤的工作波段，选择相应半导体激光器、泵浦激光器和光电探测器；其次根据特种增益光纤类型，选择合适的特种增益光纤接触待测物质方式，将半导体激光器和泵浦激光器输出的激光注入特种增益光纤；然后从特种增益光纤输出的激光经滤波器去除泵浦光、保留信号光，注入到光电探测器；最后多功能电路模块采集光电转换后的电信号，根据激光吸收光谱信号处理算法获得待测物质浓度信息。本发明利用特种增益光纤取代传统的多通池，从而有效延长信号光和待测物质的作用距离，具有灵敏度高、系统稳定等优点。

摘要： 本发明公开了一种波长捷变的可调谐半导体激光吸收光谱气体检测装置及方法，装置包括激光器、环形器、反射式探头、光电探测器和数据转换单元，激光器受到激励时输出波长和光强随驱动电流周期变化的光信号，传输给环形器，环形器接收激光器的光信号，并将该光信号传输给反射式探头，反射式探头含有一段固定距离的开放光路，实现光信号与被测气体的相互作用，并将反射式探头返回的光信号给光电探测器，将光信号转换为微弱电流模拟信号，输出给数据转换单元，得到被测气体浓度值。每个周期的光强变化和波长变化，分为两个阶段。利用波长远离被测气体吸收谱线的第一个阶段光强变化量，补偿波长覆盖被测气体吸收谱线的第二个阶段光强变化量，改善测量精度和长期稳定性。

摘要： 本发明公开了一种可调谐半导体激光吸收光谱中激光器温度补偿装置，包括有ARM芯片，与ARM芯片连的有温度采集及滤波模块和电源转换模块，所述的ARM芯片依次通过DAC芯片及滤波模块和激光器温控驱动与DFB激光器连接，ARM芯片依次通过激光器调制模块和激光器电流驱动与DFB激光器连接。本发明采用低温漂元件，减小了元器件温漂对激光器波长的影响，整个装置集成度高，体积和功耗比较小，有利于系统的集成和小型化，装置响应速度快，精度高，能够在1s时间内对激光器波长的变化进行修正补偿。

摘要： 本发明涉及一种基于特种增益光纤的可调谐半导体激光吸收光谱方法。本发明首先根据待测物质的特征吸收光谱谱线，选择一定长度的特种增益光纤；根据待测物质的特征吸收光谱谱线和特种增益光纤的工作波段，选择相应半导体激光器、泵浦激光器和光电探测器；其次根据特种增益光纤类型，选择合适的特种增益光纤接触待测物质方式，将半导体激光器和泵浦激光器输出的激光注入特种增益光纤；然后从特种增益光纤输出的激光经滤波器去除泵浦光、保留信号光，注入到光电探测器；最后多功能电路模块采集光电转换后的电信号，根据激光吸收光谱信号处理算法获得待测物质浓度信息。本发明利用特种增益光纤取代传统的多通池，从而有效延长信号光和待测物质的作用距离，具有灵敏度高、系统稳定等优点。

摘要： 本发明基于可调谐半导体激光吸收光谱技术和矩阵理论，提供了一种用于可调谐半导体激光吸收光谱技术监测空间气体浓度的二维重建方法。所述方法主要包括：被测区域离散化、二维分布重建、重建精度评估。所述方法实施步骤：根据激光吸收光路的监测数据来构建被测区域的空间坐标系；将被测区域划分成顶点、边和中心区域并离散化被测区域；通过离散化网格数目构造权值向量和气体浓度分布矩阵；利用迭代算法实现被测区域气体浓度的二维重建；建立了归一化的均方判据作为评价标准，精确评估重建二维气体浓度地图的浓度重建效果。该方法可广泛应用于空间气体分布的二维在线监测。

摘要： 本实用新型涉及一种基于特种增益光纤的可调谐半导体激光吸收光谱装置。本实用新型包括特种增益光纤、半导体激光器、泵浦激光器、滤波器、光电探测器和多功能电路模块。所述半导体激光器和泵浦激光器输出的激光注入所述特种增益光纤；所述特种增益光纤输出的激光经过滤波器去除泵浦光、保留信号光，最后注入到光电探测器；所述多功能电路模块连接光电探测器，并采集光电转换后的电信号；所述的半导体激光器受控于所述多功能电路模块，所述的泵浦激光器受控于所述多功能电路模块。本实用新型利用特种增益光纤取代传统的多通池，从而有效延长信号光和待测物质的作用距离，具有灵敏度高、系统稳定等优点。

摘要： 本实用新型提供了一种基于可调谐半导体激光吸收光谱的烟气碳排放监测装置，包括主机、若干取样探杆组件和抽气泵；所述主机包括显示屏、控制模块、激光器、数据处理模块、电源模块和吸收池；每个所述取样探杆组件包括取样探杆本体和采样箱，所述采样箱设置在所述取样探杆本体的尾部，通过将取样探杆插入烟道上不同部位的测量孔及不同的深度，取样后经冷却及过滤的烟气通入多次反射激光的气体池中，获取并分析吸收光谱，可以实现CO

摘要： 本实用新型公开了一种波长捷变的可调谐半导体激光吸收光谱气体检测装置，装置包括激光器、环形器、反射式探头、光电探测器和数据转换单元，激光器受到激励时输出波长和光强随驱动电流周期变化的光信号，传输给环形器，环形器接收激光器的光信号，并将该光信号传输给反射式探头，反射式探头含有一段固定距离的开放光路，实现光信号与被测气体的相互作用，并将反射式探头返回的光信号给光电探测器，将光信号转换为微弱电流模拟信号，输出给数据转换单元，得到被测气体浓度值。每个周期的光强变化和波长变化，分为两个阶段。利用波长远离被测气体吸收谱线的第一个阶段光强变化量，补偿波长覆盖被测气体吸收谱线的第二个阶段光强变化量，改善测量精度和长期稳定性。