1 中国科学院电工研究所, 北京 100190
3 北京航天易联科技发展有限公司, 北京 100176
可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS)是近年来发展十分迅速的光谱检测技术, 相较于其他光谱检测技术, 它具有高灵敏度、 高分辨率、 实时监测、 便携性好、 小型化等优点, 在工业环保、 医疗检测、 气象监测等领域得到了广泛的应用。 TDLAS波长调制法中谐波信号易受气压影响, 经研究发现气压的影响是调制深度对谐波信号的影响, 基于TDLAS技术谐波法的原理, 研究了各次谐波与调制深度的关系, 通过计算四次谐波与二次谐波中心幅值比, 利用调制深度函数推算当前气压环境的调制深度, 调整调制频率幅度, 使得调制深度接近各次谐波最佳调制深度值, 使谐波信号信噪比最佳, 提高检测精度。 实验通过国瑞智GRZ5031湿度发生器产生固定为1 000 ppm的水汽, 调节气阀控制密封箱内不同的气压环境, 采用TDLAS水汽检测系统获得了10.2~177.9 kPa气压条件下的二次谐波和四次谐波信号, 并进行了仿真与实验分析。 仿真结果显示: 四次谐波与二次谐波中心幅值比的理论值和仿真值最大相对误差为-1.44%, 调制深度的理论值与仿真值最大相对误差为1.78%, 说明了仿真下的调制深度函数曲线与理论一致。 实验结果显示: 根据调制深度函数推算调制深度值, 当m=2.226 7时, 实测的二次谐波中心频率幅值达到最大值, 当m=4.061 0时, 实测的四次谐波中心频率幅值达到最大值, 与理论结果一致; 在30.2 kPa<p<177.9 kPa时, 调制深度与气压乘积mp值相对误差较小, 最大相对误差不超过±3.2%, 说明了此气压条件下的mp值波动不大, 通过调制深度函数推算的调制深度值与实际值近似, 验证了调制深度函数理论的准确性。
气压 调制深度 高次谐波 TDLAS Pressure Modulation depth High harmonic TDLAS 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3676
1 中国科学院电工研究所, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 北京航天易联科技发展有限公司, 北京 100176
可调谐半导体激光光谱技术（TDLAS）是光谱检测技术的一个分支, 具有高灵敏度、 高分辨率、 实时监测、 便携性好、 小型化等优点, 在工业环保、 医疗检测、 气象监测等领域得到了广泛应用。 TDLAS气体传感器的测量精度与标定曲线密切相关, 标定时, 常用最小二乘法对标定曲线进行多项式拟合, 但最小二乘法是以绝对误差的最小平方和作为评价标准, 无法对相对误差进行约束, 在低浓度量程下TDLAS气体传感器的标定曲线相对误差偏大, 限制了标定量程。 推导了光强透射率对数与气体浓度关系式作为目标函数, 提出了基于相对误差意义下的最小二乘法, 迭代方法采用高斯-牛顿迭代法（Gauss-Newton iteration method）, 实验以雅士林DHS-100恒温恒湿箱来产生大量程范围的水汽标定浓度, Vaisala HMT337在线湿度检测仪的测量值作为标定浓度, 自主研发的TDLAS湿度传感器选择波数为7 306.752 1 cm-1的水汽吸收峰, 气室的光路长为50 mm, 对1%~50%VOL的水汽浓度进行了拟合标定, 对比了最小二乘法与相对误差最小二乘法的标定拟合结果。 实验结果表明: 采用最小二乘法拟合时, 在低浓度量程下会出现较大的相对误差, 高浓度量程下相对误差逐渐减小, 无法保证整个大量程下测量精度要求; 采用相对误差最小二乘法拟合时, 在整个大量程范围下的相对误差波动比较小, 相对误差分布曲线比较平稳, 最大相对误差和相对误差标准差都远小于最小二乘法的拟合结果; 以Ratio-C关系式作为目标函数, 采用相对误差最小二乘法进行拟合标定时, 最大相对误差为0.049 4, 相对误差标准差为0.023 7, 远优于最小二乘法的拟合结果, 符合TDLAS传感器测量精度要求, 验证了相对误差最小二乘法的标定算法可靠性, 提高了TDLAS气体传感器的测量精度。
最小二乘法 相对误差 标定 TDLAS TDLAS Least squares method Relative error Calibration 光谱学与光谱分析
2021, 41(5): 1580
北京航天易联科技发展有限公司, 北京 100176
气体浓度检测一直是十分重要的工作, 它与人类生活、 环境变化和工业生产都息息相关, 尤其是有毒有害气体的检测。 随着光谱学的大力发展, 可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS)已被广泛应用于工业生产、 环保监测、 气象探空等领域, 它具有灵敏度高、 响应速度快、 实时监测以及优秀的便携性等优点, 成为了气体检测的重要技术之一。 众所周知, 传感器在出厂前需要标定, 标定的好坏关系到传感器的测量精度, 影响传感器的实际测量。 对基于TDLAS技术的直接光谱标定算法进行了研究, 推导了适用于大量程范围下的气体浓度与透射率对数的关系并进行了简化处理, 提出了1/c拟合标定算法, 它是用气体浓度倒数与透射率对数倒数的关系来进行拟合标定的算法, 再通过拟合标定曲线反推气体浓度与透射率对数的关系。 搭建了TDLAS水汽检测平台, 以Vaisala HMT377在线湿度检测仪的水汽浓度值为标准值, 对0.7%~50%VOL的水汽浓度进行了标定, 比较了直接拟合算法和1/c拟合算法的结果和相对误差。 实验结果表明: 采用直接拟合算法对气体浓度与透射率对数曲线拟合, 一次函数、 二次函数和五次函数拟合相关系数为0.946 8, 0.996 7和0.999 9, 均方根误差为0.031 2, 0.007 8和0.001 6, 最大相对误差超过100%, 存在严重误差; 采用1/c拟合标定算法, 气体浓度倒数与透射率对数倒数的拟合曲线呈一次函数线型, 与理论相符, 相关系数为0.999 6, 均方根误差为0.490 1, 对拟合曲线进行反推得到气体浓度与透射率对数拟合曲线, 其相关系数为0.999 9, 均方根误差为0.0015, 整个浓度范围内最大相对误差不超过4%, 说明1/c拟合算法的有效性, 提高了测量精度, 扩大了标定量程范围。
大量程 标定 拟合算法 TDLAS Large range Calibration Fitting algorithm TDLAS 光谱学与光谱分析
2020, 40(12): 3665
可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS)是目前发展十分迅速的光谱检测技术, 被广泛用于检测工业环境中的易燃易爆等危险气体; 这些危险气体往往是多种气体混合而成, 待测气体的直接吸收光谱在不同的背景气体下会发生改变, 浓度计算结果存在误差; 故而提出一种新型的混合气体浓度算法。 针对不同背景气体下的混合气体浓度算法进行了讨论, 研究了不同背景气体下洛伦兹吸收谱产生变化的原因, 并分析了峰值算法和积分算法在计算混合气浓度存在误差的原因, 提出了采用Levenberg-Marquardt算法拟合出洛伦兹吸收谱, 利用面积系数与标准浓度进行二次拟合来表征混合气浓度的算法。 实验搭建了基于TDLAS技术的气体检测系统, 采用中心波长为1 368.59 nm的激光器, 气室长度为30 cm, 以水汽为待测气体, 干燥空气、 氮气、 氩气作为背景气体, 利用国瑞智双压法湿度发生器GRZ5013产生40%~80%的相对湿度环境, 以Mitchell-s8000露点仪的测量结果作为参考值, 通过计算干燥空气为背景气体下的峰值、 积分和面积系数, 拟合三者与Mitchell露点仪测量的水汽浓度结果, 得到三种算法二次拟合关系, 再对氮气和氩气背景下的水汽浓度进行计算, 对比了峰值、 积分和面积系数的浓度算法的相对误差。 实验表明: 氮气下峰值、 积分和面积系数算法的最大相对误差为-11.64%, 2.65%和1.76%, 最小误差为-7.79%, -0.56%和-0.54%, 相对误差均方值为0.88%, 0.03%和0.01%; 氩气下峰值、 积分和面积系数算法的最大相对误差为-109.27%, -10.13%和2.96%, 最小误差为73.04%, -5.51%和1.34%, 相对误差均方值为87.51%, 0.61%和0.06%; 面积系数表征浓度算法最优, 误差最小, 结果最为准确。
混合气 浓度算法 洛伦兹吸收谱 TDLAS Gas mixture Concentration algorithm Lorentz spectrum TDLAS 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 3015
1 中国科学院电工研究所, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术对痕量气体的连续检测, 二次谐波背景信号会随着半导体激光器管壳温度变化产生漂移, 使得二次谐波波形无法保持稳定, 对测量结果产生误差。 基于TDLAS原理, 解释了二次谐波背景信号的产生, 分析了背景信号的来源和背景漂移对测量结果的影响, 通过对背景信号的扣除获得标准的二次谐波波形, 设计并搭建了一套高精度恒温控制系统, 此系统搭载了风冷以及水冷模块进行辅助控温, 控制精度达到±0.1 ℃, 选取了1 796和1 653 nm波长的DFB半导体激光器, 通过控制两只激光器在20～44 ℃温度条件下来回变动, 温度间隔为2 ℃, 对获得的二次谐波背景信号进行了实验研究。 研究表明: 随着半导体激光器管壳温度上升, 背景信号发生红移, 反之发生蓝移； 实验中温度每变化2 ℃, 1 796和1 653 nm的DFB激光器的背景信号分别产生了约3.2和2.67 pm波长漂移； 通过对半导体激光器进行控温封装, 实现对半导体激光器管壳的恒温控制, 可以有效地消除室温变化引起的背景信号漂移, 维持测量系统的稳定性, 提高痕量气体检测的精度和准确度。
气体检测 背景信号漂移 温度特性 Gas detection TDLAS TDLAS Background signal drift Temperature characteristic 光谱学与光谱分析
2018, 38(6): 1670
1 中国南方电网超高压输电公司广州局, 广东 广州 510405
2 中国科学院电工研究所, 北京 100190
基于PAS与TDLAS的基本原理, 讨论了两者之间的联系, 推导了光声信号和TDLAS信号与气压的关系式, 设计并构造了一个可以同时进行PAS与TDLAS气体测量的对比装置, 并对两者在不同气压条件下的测量结果进行了分析和研究, 为不同气压条件下的气体测量技术选择提供了参考。 试验研究表明: 随着气压上升, 光声光谱与TDLAS信号均变大, 极限检测灵敏度均提高; 随着气压上升, 气体吸收能量转化为光声信号的效率变低; 在低压时, 使用光声光谱进行气体检测具有更好的效果。
光声光谱 气体检测 气压特性 Photoacoustic spectroscopy TDLAS TDLAS Gas detection Pressure characteristic
1 中国科学院电工研究所, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
针对局部放电测量中的光纤法珀传感器, 研究了其工作点稳定和提高灵敏度的参数优化方法.通过改变可调谐激光器的波长稳定了传感器的工作点.用激光器波长调谐范围确定腔长, 令玻璃薄板的反射率为1, 根据单模光纤对高斯光束的耦合特性和多光束干涉原理, 通过迭代算法得出光纤端面的最优反射率.基于波长调谐范围1530~1565nm的可调谐激光器, 制作了自由光谱范围28nm, 腔长43μm, 玻璃薄板反射率大于0.97, 光纤端面反射率0.52的法珀传感器.经实验测试, 法珀腔光损耗为10%, 条纹对比度为1.实验结果表明, 基于可调谐激光器的传感器工作点稳定, 可测试最小局放声压约为1Pa, 达到实用要求.
光纤光学 超声波传感器 数值模拟 法布里-珀罗干涉仪 可调谐激光器 高斯光束 反射率 灵敏度 局部放电 Fiber optics Ultrasonic sensors Numerical simulation Fabry-Perot interferometers Tunable lasers Gaussian beams Reflectivity Sensitivity Partial discharges
探测系统的光源选择为垂直腔面发射激光器, 选定水汽在1.854 μm的吸收峰。系统自动在直接测量法与谐波测量法之间切换, 能够适应高低湿度环境。在低湿度环境检测中, 利用二次谐波与一次谐波的比值来定标湿度, 有效去除了光源不稳定对测量带来的影响; 过采样的A/D转换结合数字锁相放大(DLIA)技术, 提高了检测精度。系统通过以太网接口, 可以实现远程数据采集。
传感器 湿度检测 红外波段光谱吸收 小型化 过采样 数字锁相放大 sensor humidity detection infrared spectrum absorption undersized over-sampling digital lock in amplification
1 中国科学院 电工研究所应用超导重点实验室,北京 100190
2 中国科学院 研究生院,北京 100039
3 中国科学院 半导体研究所,北京 100083
介绍了超导转子旋转驱动原理以及应用在超导转子旋转装置中的一种光纤传感测量系统。光纤传感测量系统包括微位移光纤传感器、转速光纤传感器、电机控制光纤传感器和信号读取图形,该系统能够进行转子悬浮微位移和旋转速度的测量并提供转子旋转所需的控制信号。在4.2 k低温下进行了转子悬浮和旋转实验,超导球形转子悬浮微位移测量分辨率为10 μm,转子转速达到了1 365 r/min。实验结果为进一步应用光纤传感测量系统精确监控超导转子工作姿态提供了参考。
光纤传感器 低温 超导转子 电磁力 fiber optic sensor cryogenic environment superconducting rotor electromagnetic force 光学 精密工程
2008, 16(11): 2092
中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室, 北京 100083
提出了一种多环形腔(MRC)结构的稳定可调的单纵模(SLM)掺铒光纤激光器,多环形腔结构由双环形有源腔和两个次级无源腔组成。这种激光器是利用光纤法布里-珀罗可调滤波器(FFP-TF)以及光学光栅滤波器(OGF)两种滤波器和多环形腔结构相结合来共同选模。可实现波长调节范围为1528～1565 nm,在整个波长调节范围内边模抑制比大于44.53 dB,在1554 nm附近边模抑制比可以达到最大值51.18 dB, 输出功率为-8.84 dBm,通过应用多环型腔结构,激光器的输出很稳定,在18 min的观察时间内,中心波长的变化小于0.02 nm,输出功率的变化小于0.04 dBm,实现了稳定且可调谐的单纵模输出。
激光器 掺铒光纤激光器 单纵模 调谐 多环形腔
