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。

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。

根据一氧化碳（CO）气体分子在4.7 μm处的基频吸收特性, 使用中心波长为4.75 μm的量子级联激光器（QCL）和多反射气体吸收气室（MGC）设计了一种新型CO传感器。 该仪器使用可在室温脉冲方式下工作并具有热电制冷功能的QCL, 通过对其温度和注入电流进行调节, 最终使得出射光波长定位在CO基频吸收带的一根强吸收线（2　103 cm-1）。 与此同时, 使用有效光程为16米的新型MGC（40 cm长, 800 ml采样容积）和液氮冷却碲镉汞中红外探测器, 有效提高了系统的响应灵敏度。 此外, 系统中配合使用了参考气室和空间滤波光学结构, 有效地改善了入射光束的质量, 降低了由光源的不稳定而产生的噪声, 进一步提高了系统的检测灵敏度。 在实验室条件下对不同浓度的CO气体进行多次重复检测, 结果显示, 该仪器工作稳定, 按信噪比为1计算, 可实现对一氧化碳气体的检测下限为5 μmol·mol-1。

根据中红外光谱吸收原理, 利用甲烷（CH4）气体分子在7.5 μm处的基频吸收特性, 设计了一种基于量子级联激光器（QCL）和新型多反射长光程气体吸收气室（MPC）的甲烷气体传感器。 该仪器使用了可进行热电冷却、 工作在脉冲方式下、 中心波长为7.5 μm的QCL, 通过在室温条件下调节其注入电流（500 mA～1.6 A调节范围）, 其出射光波长可以扫过CH4（1　332.8 cm-1）气体吸收线。 同时使用了一种紧凑型MPC（40 cm长, 800 mL采样容积）, 使得系统有效总光程达到16 m。 此外, 系统中使用了参考气室, 并加入了空间滤波光学结构以满足MPC对入射光束的要求, 配合差分吸收光谱检测原理, 有效地改善了光束质量, 降低了由光源波动引起的噪声, 提高了仪器的检测灵敏度。 通过对不同浓度的甲烷气体进行多次检测, 该仪器的稳定性能良好, 按信噪比为1计算, 可实现对甲烷气体的检测下限为1 μmol·mol-1。

为了在基于脉冲式中红外量子级联激光器的气体检测系统中, 精确提取窄脉冲传感信号的幅度, 设计并实现了一种微秒级窄脉冲锁相放大器.根据微秒级窄脉冲的特点, 窄脉冲信号经过窄带通滤波电路, 得到基频正弦波信号, 再经过主放大、移相、相敏检波电路, 得到与脉冲幅值有关的直流信号.利用信号发生器产生的幅度、频率、相位可调的窄脉冲待测信号, 对锁相放大器进行功能验证实验.结果表明, 锁相放大器输出直流信号与输入信号的幅度呈良好的线性关系, 线性拟合度约为98.043%；信号幅值的相对测量误差不超过3%；在1 h的测试时间内, 信号波动范围在1‰以内.利用配备的不同浓度的一氧化碳样品及研制的锁相放大器, 开展了一氧化碳气体检测实验.在0~180 ppm范围内, 随着一氧化碳浓度的增加, 锁相放大器的输出电压值与一氧化碳浓度呈现良好的e指数关系.根据Allan方差预测的系统检测下限为0.4123ppm.与商用锁相放大器相比, 该放大器具有体积小、成本低、易于集成等特点, 在基于脉冲式中红外量子级联激光器的气体检测中具有较好的应用前景.

量子级联激光器(QCL)驱动电源在红外瓦斯检测系统中起着至关重要的作用，研制出具有高稳定性的QCL驱动电源具有十分重要的意义。井下环境温度变化会对用于红外气体检测的QCL的工作稳定性和稳健性产生影响。以温度为切入点，采用分段拟合的方法，研究了驱动电源中各集成芯片和阻性元件因温度变化对激光器驱动电流产生的影响，并在软件中进行相应补偿。利用该驱动电源,在可控温度范围为15 ℃~35 ℃的封闭箱中对中心波长为7.71 μm的QCL进行驱动测试。结果表明，在长时间（大于50 h）测试中，激光器工作稳定，温度引起的驱动电流最大偏差值为7 mA，稳健性能良好。

一氧化碳是一种无色、 无味、 有毒、 易燃的危险气体, 且低浓度的该气体可以使人中毒、 窒息、 危及生命。 因此研制一种能够检测一氧化碳气体浓度的检测仪意义重大, 尤其在环境复杂(湿度和粉尘浓度都很大)的矿井下。 本文所述的是一种紧凑型检测仪器, 其能够灵敏、 快速、 连续地监测环境空气中痕量一氧化碳气体浓度。 该仪器采用激发波长为48 μm的中红外量子级联激光器(QCL)和红外碲镉汞探测器的最新半导体技术, 结合中红外光程长度为76 m的多次反射herriott吸收气室, 可以在4 s的采样时间内实现40 nmol·mol-1气体检测灵敏度。 同时, 该仪器利用差分吸收光谱检测原理, 设计了双光路双通道空间光学结构, 消除了电调制光源所带来的不稳定性, 有效地提高了仪器浓度检测下限。 实验表明, 该仪器通过所集成的气体浓度反演算法, 能够在无需校准的情况下, 可以用于环境监测中的实地痕量气体测量, 并且操作人员可以通过替换在不同波长下运行的QCL来测量其他气体。