激光吸收光谱常被用于测量大气痕量气体,但某些气体在某波长附近会出现多条谱线重叠的现象,导致吸收信号产生重叠峰。以NH3气体为例,研究6529 cm -1附近的4条重叠谱线,通过Voigt线型模拟不同压强下的谱线,搭建直接吸收光谱测量实验系统。实验发现,低浓度NH3气体的谱线峰值并没有随着压强的减小而减小,反而逐渐增大。由于NH3存在吸附性,因此,采用无吸附性的CH4气体进行验证。结果表明:当气体压强为0.18 atm(≈18 kPa)时,实验谱线与模拟谱线相差最小,NH3的最大吸收峰吸光度与气体浓度成正比。研究结果为后续多气体测量过程中的干扰问题提出了解决方法。

设计了一种基于频率补偿技术的高精度、高稳定度抽运激光器驱动电路,该驱动电路以深度负反馈系统的电流调节为内环,光功率反馈调节为外环,同时采用一阶人工分析与Tina SPICE仿真相结合的方法,对环路进行频率补偿,实现了抽运激光器的高稳定性控制。通过模拟比例积分微分技术控制驱动芯片,实现半导体制冷器的电流调节。所设计的驱动电路在自动电流控制模式下输出连续可调的电流,同时具有慢启动、防反向电流和过流保护等功能,输出电流长期稳定度可达0.04%。在自动功率控制模式下,激光器输出功率长期稳定度优于0.3%,控制线性度达0.9999,温控的长期稳定性优于0.0928%。实验结果表明,该驱动系统具有安全性高、稳定性好、使用方便等优点。

使用衍射光学元件将高斯激光光束整形为能量分布均匀的平顶激光光束,对比了两种激光诱导铜等离子体的特性,研究了光束整形对激光诱导击穿光谱稳定性的改善作用。研究结果表明:激光光束能量分布的均匀性引起了烧蚀坑形貌以及单次烧蚀量的差异,高斯激光和平顶激光诱导光谱的强度、等离子体温度和电子密度的相对标准偏差分别为12.33%和6.37%、2.10%和1.32%、5.31%和0.65%;光束整形后激光诱导击穿光谱的稳定性得到了明显改善,两种激光诱导产生的等离子体均呈局部热力学平衡状态。

搭建了一套集成微区成像的激光诱导击穿光谱系统,运用描述性统计分析方法分析了激光器的能量稳定性、光谱仪的噪声水平,重点分析、对比了气体样品和固体样品激光诱导击穿光谱信号的稳定性特征。结果表明:空气样品激光诱导击穿光谱信号具有明显的随机波动特性和正态分布特征,铝合金样品激光诱导击穿光谱信号具有明显的位置敏感特性和非随机波动特性;与空气样品相比,铝合金样品激光诱导击穿光谱信号的不稳定性主要源于光与物质相互作用区域的变化;对具有正态分布特征的激光诱导击穿光谱信号,可通过多脉冲平均来有效提高其稳定性。

腔增强吸收光谱技术具有实验装置相对简单、灵敏度高、环境适应性强等特点, 是高灵敏吸收光谱技术的重要组成部分。随着半导体材料和封装工艺的发展, 腔增强吸收光谱技术在光路结构、光源选择、以及与其他光谱技术的联合应用方面有了极大的改进和拓展, 在环境监测、医疗诊断、**建设、工业生产等领域有广阔的应用前景。对腔增强吸收光谱技术的研究现状、发展趋势、应用领域等方面进行详细的论述, 从腔增强吸收光谱技术的基本物理原理出发, 基于不同的光源描述常见的实验配置, 其次对改进光路几何结构的系统性能进行相关分析研究,此外概述了腔增强光谱技术与其他技术的联用情况, 并总结了目前该技术在不同领域的应用, 最后对各装置的发展前景进行了展望。

针对水泥生产行业中袋式除尘器破袋检漏定位问题,提出了基于分布式光纤振动传感的检漏定位方法。分布式光纤振动传感系统灵敏度高,可以检测到布袋破损后粉尘气流对光纤产生的微振动信号,以此判断布袋是否破损,并通过时域差分法来定位破袋。搭建了一套相位敏感型光时域反射仪(φ-OTDR),通过室内模拟得出该系统最大信噪比为10 dB,实际空间分辨率为23.7 m,同时验证了该系统能响应低频粉尘气流扰动信号。在现场平台实验基础上,结合支持向量机(SVM)算法对现场测试数据进行识别分类,平均破袋识别准确率可达97.8%。结合φ-OTDR分布式系统与SVM算法可有效解决袋式除尘器破袋检漏定位问题。

岩屑录井是地层岩性及含油性等的直接鉴别方式,岩性的正确描述是岩屑录井的 重要内容。选择Mg、Si、Al、Fe、Ca、Na、K七种元素的激光诱导击穿光谱(LIBS)作为分 析线,结合主成分分析(PCA)、软独立建模分类法(SIMCA)、有监督Kohonen神经网 络(SKNs)三种化学计量学方法,对泥质灰岩、泥岩、页岩、砂岩四种岩屑岩性进行了识别。SKNs、SIMCA模型的平均正确识别率分别 为93.75%、78.75%。结果表明利用LIBS技术结合PCA和非线性SKNs方法可以实现物理 特性、化学组成较为相似的岩屑岩性的有效识别。

甲烷气体是一种对人体和环境有严重危害的气体, 特别在煤矿、天然气罐、气站和石油化工等安全生产领域, 对甲烷气体的泄漏监测至关重要。利用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS), 选择1 653.72 nm波长作为甲烷气体直接吸收检测的中心波长, 使用微透镜设计了14 cm光程吸收池建立了一套浓度范围为0～100%全量程甲烷在线监测系统, 利用分束器分成多路对不同位置进行监测, 通过小波变换对吸收信号进行降噪处理, 提高信噪比, 使系统的最低测量极限达到335 ppm(1 ppm=10-6), 并将自行研制的多点全量程激光甲烷传感器与商用红外甲烷气体探测器进行对比实验, 结果表明: 该系统具有测量稳定性好、测量范围大、响应速度快、免调校、测量探头本征安全、低成本等优点, 完全有能力满足各行业的使用需求。

激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)技术作为一种多元素实时检测技术,已被众多研究者用于气溶胶成分的原位 在线分析。对近年来LIBS技术应用于大气气溶胶的研究概况和进展进行了简要综述: 简述了LIBS技术的原理与特点,分析了LIBS用于气溶胶检 测的影响因素,总结了LIBS用于气溶胶分析的研究概况,并介绍了LIBS在大气环境及工业过程中的应用实例。

精确控制光声光谱实验系统温度有助于提升系统灵敏度及稳定性。设计的温度控制系统由单片机STC12C5A60S2控制,以铂电阻Pt1000为温度传感器, Pt1000采用四线制接法,有效消除了引线电阻引起的误差,其信号处理电路由仪表放大器AD620构成。介绍了14位高速率模数转换器TLC3574的典型 工作电路,参考电压由LM4040提供。半导体制冷片由单片机输出的PWM波控制电流方向及导通时间,实现制冷加热,其驱动电路为场效应管H桥电路。 所设计的温度控制器控制范围0～40℃,控制精度达到0.06 ℃。