采用双通道差分式红外气体检测方法, 基于比尔朗伯理论做针对性修正, 研制出低检测下限、高探测性能的手持式红外甲烷气体检测仪.通过TracePro光线模拟软件, 对比分析多种光学路径结构, 得到小空间内长光程气室结构, 增强气体有效吸收, 提高仪器检测性能.引入多参数补偿算法, 对气体吸收理论进行优化, 得到适应本检测系统的气体吸收函数, 以保证气体浓度信息计算准确性.仪器工作时最大输出电流为130 mA, 采用干电池供电, 仪器的尺寸为209 mm×70 mm×40 mm, 甲烷气体浓度爆炸限以下最低检测限可达到50 ppm, 可以保证气体防爆的安全性要求.

光声信号强度与光功率成正比, 然而, 高功率激光光源存在功耗高、 驱动控制电路复杂、 低成本高质量的光源可选择范围窄等缺点, 此类光源多集中在>6 μm波段, 难以实现对基频吸收带位于2～6 μm波段的分子进行有效探测。 而且, 基于商用驱动控制仪器的光声气体传感器体积较大, 不能满足多点连续移动监测工作的需要。 利用输出功率为5.2 mW的分布反馈、 带间级联激光器(ICL)和基于石英音叉的光声光谱探测方法, 在3～4 μm波段实现了nmol·mol-1水平气体分子浓度测量。 使用的ICL靶向乙烷(C2H6)基频吸收带的强吸收线2 996.88 cm-1。 通过使用自主研制的数字锁相放大器及数字激光驱动控制方法, 结合波长调制光谱技术, 实现了高灵敏检测, 同时, 有效减小了系统体积并简化了数据获取和处理过程。 首先, 结合系统原理结构, 顺次介绍了设计方案以及光、 电等模块的设计细节。 分析了目标气体及其临近干扰气体吸收谱线的模拟情况, 以及不同气压对谱线展宽及重叠干扰的影响, 最终确定系统工作气压为200 Torr。 然后, 通过对100～1 000 nmol·mol-1共6种浓度C2H6进行单周期光谱扫描测试分析, 推断系统最低检测下限(MDL)<100 nmol·mol-1。 对上述各浓度样品分别进行~10 min二次谐波(2f)信号峰值提取测试, 系统线性性能良好, 相关度为0.999 65, 同时, 明确了气体浓度与2f信号峰值的对应关系。 最后, 通过对氮气连续1小时测试得出系统噪声为~0.347 V, 由此估算信噪比和系统灵敏度分别为~28.56和~40 nmol·mol-1。 介绍的新型中红外C2H6传感器不仅实现了nmol·mol-1级测量, 而且, 使用自主研制的数字驱动和锁相放大器有效减小了系统体积, 弥补了使用商用仪器占用体积大的不足, 为将来实现小型化、 移动式测量的目标奠定了一定基础。 此外, 对于功率消耗无限制的其他应用, 可通过进一步完善和改进锁相和前置放大等模块的性能以及使用输出功率更高的光源进一步提高传感器灵敏度, 并应用于更多场景。

研制了一种针对半导体器件的温度控制系统, 不仅可用于对内置热电制冷器的半导体器件的温度控制, 同时实现了在宽环境温度范围内对无热电制冷器及热敏电阻的半导体器件的温度控制.系统硬件主要由两部分组成, 第一部分包括主控制器模块、温度采集模块和热电制冷器电流控制模块, 实现对内置热电制冷器的半导体器件的温度控制; 第二部分包括辅控制器模块、温度采集模块、金属氧化物场效应管开关电路模块及附加四级热电制冷器, 实现对无热电制冷器的半导体器件的温度控制.软件部分, 主辅控制器分别实时采集半导体器件的工作温度, 采用积分限幅式数字比例-积分-微分算法, 调整热电制冷器驱动器的电流实现恒定的温度控制.利用本文研制的温度控制系统对内置热电制冷器的半导体激光器的温度控制准确度为±0.01℃, 温度稳定性为0.004 8℃; 在无热电制冷器的半导体光源的温度控制实验中, -18℃、室温、40℃环境下的温控准确度分别为±0.05℃、±0.01℃、±0.02℃.利用研制的温控系统连续5 h测试了1.563 μm激光器的输出光谱, 峰值输出波长稳定; 采用1.653 μm激光器, 分别利用研制的温控系统和商用系统开展了甲烷气体检测实验, 与商用控制器相比, 本文研制的温控仪获得的系统检测下限更低.该系统具有体积小、成本低、便于集成、工作稳定可靠的优点, 在气体检测中有良好的应用前景.

根据乙烷气体分子在3.3 μm处的基频吸收特性, 使用中心波长为3.337 μm室温连续带间级联激光器(ICL)和有效光程为54.6 m密集光斑多通气体吸收气室(600 mL)研制了基于波长调制光谱技术(WMS)的乙烷传感器。 详细介绍了基于WMS和二次谐波(2f)探测技术的光谱吸收法气体检测原理, 给出了目标乙烷气体吸收线的遴选细节。 此项技术的使用减小了光功率漂移对系统的影响, 使得系统最低检测下限(MDL)和稳定性能得到提升。 结合原理框图, 通过光学和电学两个模块分别详细介绍了乙烷传感系统设计方案, 描述了自主研制的软、 硬件单元和商用仪器的使用及其型号供他人参考, 并给出传感器光学配置实物图。 而且, 为匹配激光波长调制与基于压力的吸收线宽, 对气压和调制深度进行优化, 研究了调制幅度对应2f信号峰值及调制幅度与调制深度的关系, 最终确定最优气压和调制深度分别为100 Torr和0.074 cm-1, 对应的调制信号幅度为~0.026 V。 此外, 基于优化后的气压和调制深度, 使用136.8 nmol·mol-1 乙烷标准气体进行了系统灵敏度估算。 详细介绍了ICL扫描调制信号、 锁相放大及数据采集单元的参数设置, 并给出示波器记录的扫描调制信号及2f信号波形图片。 通过对比DAQ采集的2f信号和背景噪声信号, 估算系统最低检测下限为33 nmol·mol-1。 最后, 使用9个不同浓度乙烷标准气体(20～400 nmol·mol-1)分别进行~5 min系统标定测试, 并列出了拟合曲线和拟合相关度等信息。 而且, 使用浓度为48 nmol·mol-1乙烷气体样品开展连续2 h系统稳定性测试并进行Allan-Werle 方差分析。 结果显示, 该系统工作稳定, 积分时间为4 s时, 乙烷气体检测灵敏度为~0.81 nmol·mol-1。 通过增加系统积分时间至63 s, 系统灵敏度可被提高至~0.36 nmol·mol-1。

为了抑制甲烷传感器中统计特性无法预知的电学噪声, 本文结合递归最小二乘自适应去噪算法和直接吸收光谱技术,使用中心波长为3 291 nm的带间级联激光器和多反射吸收气室, 研制了一种电域自适应中红外甲烷传感器系统。在传统探测器输出信号(称为信号通道)的基础上, 增加了激光器电流驱动器的反馈信号作为噪声通道来感知电学噪声。利用MATLAB软件对最小二乘法在直接吸收光谱技术中的滤波效果进行了仿真。通过在激光器驱动信号中施加不同的噪声,实验验证了最小二乘法的去噪效果。针对该传感器的Allan标准差结果表明, 当不使用自适应最小二乘法时, 系统在积分时间为6 s的检测下限为78.8 nL/L; 使用RLS自适应算法时, 系统的检测下限为43.9 nL/L。相比基于传统传感结构和滤波方法的中红外直接吸收光谱传感器, 本文所报道的中红外甲烷传感器由于采用了电域自适应滤波方法, 因而呈现出更好的抗干扰性和稳定性。

为了实现对火灾的早期探测, 设计了一种高精度、高灵敏度CO传感器。该传感器以激射波长的为2.33 μm的连续型分布反馈激光器为光源。采用波长调制光谱(WMS)技术与一次谐波量化的二次谐波检测方法相结合的研究手段, 对典型环境压力下复杂、重叠的光谱吸收特征进行分离, 从而实现了良好的选择性和较高的灵敏度。基于Allan Werle方差的系统长期稳定性评估分析表明, 系统的检测限(LoD)为1.18 μL/L; 当积分时间达到 205 s时, 系统能够实现0.08 μL/L的测量精度。最后, 纸、棉花以及松木等容易产生阴燃的可燃物燃烧实验表明, 所研制的传感器具有良好的早期火灾探测能力。

为了实现基于可调谐激光吸收光谱技术的高检测灵敏度、低功耗、小型中红外痕量气体传感器设计, 结合锑化镓(GaSb) ICL和紧凑型多反射气体吸收气室(MPC)研制了基于不同结构传感光学核的两个小型TDLAS传感系统。两个传感光学核的总功率消耗为3.7 W, 并通过探测甲烷(CH4)和甲醛(CH2O)分别验证了双层结构和单层结构系统的性能。实验结果表明: CH4和CH2O系统的检测灵敏度分别为5.0 nL/L和3.0 nL/L, 测量精度分别为1.4 nL/L和1.0 nL/L。此外, 相同配置情况下将两种结构系统应用于甲、乙烷(C2H6)同步检测, 通过对校园环境中甲、乙烷进行连续66 h的监测试验, 验证了设计的紧凑型中红外痕量气体检测系统能够稳定有效地工作, 基本满足目前民用气体测量的稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。

A dual-gas sensor system is developed for CO and CO2 detection using a single broadband light source, pyroelectric detectors and time-division multiplexing (TDM) technique. A stepper motor based rotating system and a sin-gle-reflection spherical optical mirror are designed and adopted for realizing and enhancing dual-gas detection. De-tailed measurements under static detection mode (without rotation) and dynamic mode (with rotation) are performed to study the performance of the sensor system for the two gas samples. The detection period is 7.9 s in one round of de-tection by scanning the two detectors. Based on an Allan deviation analysis, the 1σ detection limits under static opera-tion are 3.0 parts per million (ppm) in volume and 2.6 ppm for CO and CO2, respectively, and those under dynamic operation are 9.4 ppm and 10.8 ppm for CO and CO2, respectively. The reported sensor has potential applications in various fields requiring CO and CO2 detection such as in the coal mine.