为了研究激光调制参量对二次谐波信号峰值、信噪比、峰宽、对称性以及信号完整性的影响, 基于硬件实验系统与Simulink仿真模型进行分析, 验证了理论模拟结果与此硬件系统下信号变化趋势的一致性, 同时确定了CO2检测系统的最佳调制参量。通过实验系统对不同体积分数的CO2在1432.04nm处的吸收光谱进行了测量, 建立主吸收峰处信号强度与不同体积分数CO2的反演模型, 分析了系统性能及测量精度。结果表明, 线性拟合系数R2=0.9998, 气体体积分数反演最大相对误差为0.7333%, 系统检测限为0.0074%; 通过调制参量的优化选择可以获得较为理想的二次谐波信号, 从而实现待测气体体积分数的精确反演。该研究为检测系统中调制参量的优化提供了重要参考, 为系统测量精度的改善提供了指导。

为了研究延迟时间和透镜与样品间距离(lens-to-sample distance, LTSD)对激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)测量精确度的影响, 以混合土壤样品中的Cu和Cr元素为例开展研究。在优化实验条件方面, 测得两种元素信噪比随延迟时间的增加先增大后减小, 确定了在最大信噪比处Cu的延迟时间为1.8 μs, Cr为2.0 μs; 通过改变透镜到样品之间的距离, 得到在LTSD为96 mm和98 mm处, Cu Ⅰ和Cr I的光谱强度和等离子体电子温度最高。在定量分析前, 采用Savitzky-Golay滤波算法对光谱数据进行平滑降噪; 对比了使用谱线峰面积和直接光谱强度下的相对标准偏差(relative standard deviation, RSD), 发现谱线峰面积的RSD为5.9%要优于直接光谱强度(RSD=10%), 因此, 本文使用谱线峰面积作为元素的光谱强度进行定量分析; 计算验证了Cu I和Cr I的等离子体区域满足局部热平衡态。利用配置的七种浓度的混合样品, 选择Cu I 324.754 nm和Cr I 425.435nm作为分析线, 利用外标法得到两种元素在初始条件下和最佳的延迟时间和LTSD下的定标曲线。对比发现在优化了延迟时间和LTSD两个实验参数后Cu和Cr元素的定标曲线相关系数R2分别提高了0.134和0.081, 且两元素定标曲线的相对误差进一步减小。实验结果表明, 优化延迟时间和透镜与样品间距离两个实验参数可以稳定提高LIBS定量分析的精准度。

可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS)由于其高灵敏度、 高选择性等优势广泛用于痕量气体检测领域。 然而其测量结果容易受到目标气体压力波动的影响, 特别是在大气环境下尤为明显, 现有方法多为在现场安装压力传感器, 对测量结果进行校正。 提出了一种无需压力传感装置的气体浓度修正方法。 选取碰撞展宽占主导地位的气体吸收谱线, 分别建立谱线展宽与波长调制光谱一次谐波(WMS-1f)信号的峰谷值间距和二次谐波(WMS-2f)过零点间距的解析表达式, 通过测量一次谐波峰谷值间距或二次谐波过零点间距直接得到被测气体压强, 进而利用波长调制光谱一次谐波归一化的二次谐波(WMS-2f/1f)技术补偿测量环境中压力波动对气体浓度测量结果的影响。 实验以浓度为1 980 mg·m-3的CO2为目标气体, 选取其位于4 989.97 cm-1的吸收作为目标谱线, 在大气压附近进行不同调制深度的变压力测量实验, 通过实验分析了压强变化对二氧化碳吸收谱线谐波信号的影响, 利用一次谐波峰谷值间距和二次谐波过零点间距分别反演了气体压强, 并与气体压强传感器测得的压强数据进行对比, 压强偏差在1%以内, 验证了通过谐波间距解析表达式计算压强的正确性及通过测量谐波间距对浓度补偿的可行性。 最后利用WMS-2f/1f技术和通过谐波间距测得的压强数据对气体浓度进行压强补偿修正, 结果表明通过测量谐波间距修正后的浓度与通过高精度压力表补偿后浓度相比误差小于2%, 与通过谐波间距推导得出的压力不确定度(小于2%)一致, 验证了该方法的可行性和有效性, 进一步提高了TDLAS技术在压强波动较大环境下进行气体浓度检测的测量精度。 利用谐波间距对气体浓度补偿的方法无需额外的气体压力传感器, 简单易行, 特别适合于大气环境中气体成分的高灵敏高精度开放光路遥测, 也可用于气体浓度和压强的同时测量。

利用差分光学吸收光谱(DOAS)技术对空气中污染气体的浓度进行实时监测时, 测量结果的准确度会受到环境温度变化的影响。 为此, 提出了通过二维相关光谱技术优选波长来提高DOAS测量中温度鲁棒性的方法。 通过对不同温度下SO2的吸收截面进行二维相关分析, 得到了动态吸收截面同步相关谱对角线的自助峰, 据此分析了不同波长下吸收截面随温度变化的敏感程度, 进而优选出最佳反演波长范围300.5～310 nm。 在将波长优选前后现场的测量结果和参考值进行对比时显示: 采用优选波长前后24 h的平均测量误差由22.5%减小至9.9%, 测量值和参考值的相关系数由0.780 8提高到了0.949 6。 结果表明, 二维相关光谱和DOAS技术相结合, 可以准确测量污染气体浓度。

介绍了可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)原理和实验系统, 并对系统噪声进行了分析; 以体积比浓度为90×10-6和30×10-6的NH3为例, 利用TDLAS系统采集了该浓度气体的二次谐波原始光谱。 为改善光谱信号, 分别用五种数字滤波方法对原始光谱进行了滤波处理比较, 做了NH3的浓度梯度实验并对浓度为20×10-6 NH3进行了长时间监测实验。 实验结果表明, 算术平均-小波变换滤波相比其他方法更有效地对原始光谱信号进行了改善, 提高了系统信噪比和信号平滑度, 使系统浓度检测限由原来的10×10-6降低到1.25×10-6, 信噪比提高了约14倍, 为逃逸氨极低浓度检测提供了一种较为有效的数据预处理方法。

为了研究背景气体的种类及浓度对紫外荧光法SO₂ 自动监测仪不确定度的影响,在重复性条件下分别测量了H2S,NO,CO,CO2 4 种常见背景气体浓度在仪器量程达到20%,40%,80%时监测仪的示值误差。采用直接评定法对背景气体引起的不确定度分量、标准不确定度进行了评定。实验结果表明,H2S 和NO 两种气体引入的不确定度是背景气体中影响测量不确定度的主要因素,且在其他测量条件不变的条件下,SO₂ 自动监测仪的测量不确定度随着背景气体浓度的增加而增大,并对该实验结果产生的原因进行了分析。在利用紫外荧光法在线监测SO₂ 气体浓度时,应根据背景气体的实际情况对SO₂ 自动监测仪的示值浓度进行实时补偿计算,能够有效提高SO₂ 自动监测仪在线测量的测量精度。

利用不同的微场分布函数研究了其对Stark加宽光谱线型的影响。根据Stark加宽理论,考虑到等离子体中的离子碰撞,Stark加宽本质上是一种非对称的光谱线型,其中微场分布函数对光谱线型起着非常关键的作用。研究结果表明,总体上Holtsmark分布和Nearest-Neighbor场分布下的Stark光谱线型差别不太大,但是Mayer模型对Stark加宽光谱线型影响较大。并且随着离子加宽参数的减小,三种不同的微场分布函数对Stark光谱线型的影响逐渐减小;随着电子加宽参数的减小,不同的微场分布函数对Stark光谱线型的影响也逐渐减小;同时发现,当离子加宽参数减小到一定程度时,不同微场分布函数对整个光谱线型的影响基本相似,这也正说明离子间碰撞剧烈时对光谱线型的影响很大。

采用发射光谱方法对大气压氩气介质阻挡放电(DBD)系统中的电子密度进行了诊断。通过考虑放电等离子体中的各种加宽机制, 采用自编的非对称卷积程序对氩原子发射谱线的线型进行分析拟合, 再通过反卷积的方法将各种加宽机制分离开来, 最终将Stark展宽分离出来进行大气压氩气介质阻挡放电电子密度的计算。诊断结果表明, 在大气压氩气介质阻挡放电中当有三个放电丝存在, 电子温度为10000 K时, 电子密度约为4.06×1021 m-3, 诊断结果和模拟结果符合得很好。此方法不仅可以应用在大气压介质阻挡放电中, 还可以用于其他含有非氢气体的大气压等离子体电子密度的测量。

采用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)对CO气体的浓度进行测量,应用整体二次谐波最小二乘法对测量信号的实验数据进行反演处理。基于可调谐二极管激光吸收光谱技术, 对CO在线监测仪测量结果的不确定度来源进行了分析, 采用直接评定法对各种因素引起的不确定度分量、标准不确定度和合成不确定度进行了评定。实验结果表明, 仪器示值引入的不确定度、标准气体浓度定值的不确定度以及环境温度变化和电源电压波动引入的不确定度是影响测量不确定度的主要因素。