可调谐激光吸收光谱(TDLAS)技术常用于气体检测,但是某些气体在线强较弱或者低压、低浓度条件下,吸收信号微弱、信噪比高、检测精度低。根据Beer-Lambert定律,提升吸收光程能有效提升吸收信号强度。仿真并设计了一Herriott池结构的多光程测量系统,并对系统有效性以及精确性进行了检验。系统整合在5U机箱内,吸收光路固定,设置了参考光路消除空气中组分吸收影响。只需通过抽气进气阀控制气室内压力,调节激光控制器即可采集数据。系统单光程长204 mm,设计反射100次,实际有效光程为20.28 m。经检测,系统在真空条件下漏气率为56 Pa/h,在低压(10 kPa)条件下漏气率为15 Pa/h。将该系统与普通直接吸收系统对2 005 ppm标准NH3气体检测结果进行了比较,前者吸收率峰值较普通直接吸收系统增强了50倍左右。结果表明,该系统检测误差为2.9%,普通直接吸收系统检测误差高达37.4%。该系统可有效应用于低压、弱吸收线强条件下气体及微量气体现场精确检测。

为了对痕量甲烷(CH4)进行非接触式检测, 采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)与波长调制光谱(WMS)的检测技术, 利用CH4位于中红外波段1 332.8 cm-1吸收谱线, 设计并研制出痕量CH4检测仪。 该仪器使用中心波长为 7.5 μm的中红外量子级联激光器(QCL), 通过调谐系数-0.2 cm-1·A-1, 采用固定工作温度调节其注入电流(0.6～1.6 A)的方式使其发光光谱扫描CH4气体吸收谱线(1 332.8 cm-1)。 在光学结构方面, 该仪器采用光程为76 m的herriott长光程密闭气体吸收气室, 配合差分检测光路, 降低了由激光光源波动引起的噪声, 确保对痕量CH4进行检测。 实验中, 实现了40×10-9最低检测下限, 检测结果的相对误差为0.09%, 稳定度优于2.8%, 验证了该仪器的可行性。

Spontaneous combustion of the coal mine goaf is one of the main disasters in the coal mine. The detection technology based on symbolic gas is the main means to realize the spontaneous combustion prediction of the coal mine goaf, and ethylene gas is an important symbol gas of spontaneous combustion in the coal accelerated oxidation stage. In order to overcome the problem of current coal ethylene detection, the paper presents a mine optical fiber multi-point ethylene concentration sensor based on the tunable diode laser absorption spectroscopy. Based on the experiments and analysis of the near-infrared spectrum of ethylene, the system employed the 1.62 μm (DFB) wavelength fiber coupled distributed feedback laser as the light source. By using the wavelength scanning technique and developing a stable fiber coupled Herriot type long path gas absorption cell, a ppm-level high sensitivity detecting system for the concentration of ethylene gas was realized, which could meet the needs of coal mine fire prevention goaf prediction.

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)为逃逸氨的现场抽取式的检测提供了可靠的技术手段, 现场环境中温度对二次谐波信号影响非常大, 必须要对检测的结果进行温度的修正。当温度从 25℃变化到 250℃时, 在 Herriott样品池中对 100×10-6的 NH3进行检测, 得到二次谐波光谱图, 结果显示二次谐波信号的幅度随温度的升高而减小, 线宽趋于平缓。当压力从 0 kPa变化到 100 kPa时, 二次谐波的信号峰值随着压力增加而减小, 线宽趋于平缓。根据上述实验结果, 给出了温度修正的公式, 通过对不同温度下 50×10-6浓度的 NH3进行修正, 来评价公式的可靠性, 修正后的最高误差为 5.1%, 极大地提高了测量的精度, 使系统能够适应高温环境下在线抽取式监测需求。

随着地震断裂带气体观测技术的快速发展, 为了对地震进行精确的预报, 减少因地震给人民群众生命和财产带来的损失, 根据甲烷气体的释放与地震前上地壳岩石的微裂隙有直接关系的这一微观变化, 设计并研制中红外痕量甲烷气体检测仪。 仪器采用激发波长为7.65 μm的量子级联激光器(QCL), 结合双光路长度为76 m的多次反射herriott长光程气体吸收池, 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, 采用半导体激光器频率调制直接光谱吸收技术, 降低了该仪器噪声的主要来源1/f噪声, 使气体检测下限达到5 nmol·mol-1 (40 s采用时间)。 在野外实验中, 利用可控震源车作为模拟地震源, 将6个痕量甲烷检测仪以100 m为距离等间隔放置, 对距震源中心不同距离下的地表面甲烷气体浓度进行动态测量。 实验表明, 该仪器可以监测地震前地下痕量甲烷气体的释放, 为地震前兆预警提供新的途径。