针对高炉煤气成分复杂、燃烧效率低、燃烧稳定性差的问题, 提出了基于波长调制光谱(Wavelength Modulation Spectroscopy, WMS)的高炉煤气燃烧场温度测量方法。WMS具有抗噪声能力强、测量精度高和灵敏度好的特点, 适用于高炉煤气燃烧场的温度测量。基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的测量特点, 以H2O为目标气体, 选取波长位于1 391.67 nm和1 397.75 nm的吸收谱线, 通过两个激光器时分复用的方式获取两条目标吸收谱线, 对黑体炉和平面火焰燃烧炉进行温度测量, 达到了实验验证的目的。实验结果表明, 所提检测方案对高炉煤气所在500~2 000 K温度范围内都有较高的测量灵敏度, 检测结果线性度优于99%。现场实验验证系统可满足高炉煤气的温度场测量等原位在线测量的应用, 为后续的燃烧优化和节能减排奠定了基础。

在开采煤矿的生产活动中, 遇到煤矿爆炸或地震、 地质等自然灾害, 会导致坍塌、 掩埋、 堆积等情形, 进而形成复杂的封闭环境。 如果发生人员被困等突发情况, 破灾救援、 挽救生命工作显得至关重要。 封闭环境中O2的浓度随时间的变化直接威胁到被困人员的生命安全, 及时掌握被困人员所处环境的O2浓度变化对破灾救援机器人作业实施有着非常重要的指导意义。 为准确测量O2的浓度, 以封闭室内O2为研究对象, 综合应用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术和波长调制光谱(WMS)技术, 设计了一套准连续调制激光吸收谱实验测量O2浓度系统, 对24 h封闭室内O2的浓度随时间变化情况进行测量研究。 实验结果表明, 封闭室内O2的浓度受到室内人员活动的影响, 准连续调制激光吸收谱测量方法可以准确测量封闭室内的氧气变化。

准连续信号是一种重要的调制信号形式, 在多个领域有广泛应用。准连续调制激光吸收谱是准连续信号典型应用之一, 具有响应迅速、检测精度高、检测限低的特点。在地震、塌方、火灾等灾害环境下, 由于堆积形成复杂封闭环境或燃烧不充分有可能产生极易燃爆的CO有毒有害气体。因此, 灾害现场破拆机器人进行救援时, 需要对现场的气体环境进行监测和分析, 避免造成二次爆炸伤害。本系统对CO气体展开研究, 采用准连续调制激光吸收谱技术, 搭建测量实验系统, 实施了改变浓度、压力和温度条件的CO测量实验, 得出了准连续调制激光吸收谱2f信号幅值与CO浓度、实际测量时的压力、温度的关系模型。这些关系模型可使破拆机器人在灾害现场根据测量系统实际测得的压力和温度值对CO气体的浓度进行相应的压力以及温度补偿。

针对准连续激光调制吸收光谱谐波信号的解调, 设计了一种专用的准连续软件锁相放大器, 对采集的数据做有效性判断、 无效数据滤除、 数字相敏检测、 数字滤波等处理, 实现了准连续激光调制吸收光谱的谐波信号解调。 构建气体检测实验系统, 对准连续软件锁相放大器和商品化的高性能锁相放大器进行了对比实验, 结果表明, 使用准连续软件锁相放大器的Allan方差比后者小1个数量级、 检测限低2倍。 并能够解决小占空比时的信号失锁问题, 具有小的信号波形失真。

根据对激光器施加的调制信号是否连续, 波长调制光谱分为连续和准连续调制激光吸收光谱技术。 为了深入的比较研究这两种方案, 设计准连续调制谱专用的软件锁相放大器, 将准连续调制信号因间断产生的无效信号滤除后, 再对吸收信号解调得到二次谐波信号。 与连续激光调制谱软件解调的二次谐波信号进行了比较, 结果表明, 参数相同, 准连续调制谱比连续调制谱的信噪比提高5%、 检测限降低11.3%。 在滤除无效信号后, 准连续调制谱也可以解调出标准的二次谐波信号, 因此有望用于与气体线型相关的研究中。 该工作为选取更加适用的激光调制谱技术, 提供了准确依据。