1 广东电网有限责任公司电力科学研究院, 广东 广州 510080
2 河南省日立信股份有限公司, 河南 郑州 450001
3 河南省日立信股份有限公司, 河南 郑州 450001郑州大学物理学院, 河南 郑州 450001
1, 1, 1, 3, 4, 4, 4-7氟-3-(3氟甲基)-2-丁酮（C5-PFK）气体因其优良的电气绝缘性能和良好的环保特性受到国内外广泛关注。 制备高精度的C5-PFK混气并实现对其混合比的精准检测, 有利于对C5-PFK混气的科学论证, 最大限度的减少电力隐患。 采用FTIR实验, 结合B3LYP方法进行光谱理论计算, 对C5-PFK气体的红外光谱吸收特性进行了研究; 针对测试环境中可能存在的CO2及微水气体, 在相同的温压及光程条件下进行了谱线交叉干扰分析; 基于非分散性红外线(NDIR)技术对C5-PFK混气混合比传感器进行了仿真测试, 开展了传感器硬件系统的整体设计。 根据传感器的输出特性, 建立了BP神经网络温度补偿模型, 并对传感器的重复性及示值误差进行了测试。 结果表明: C5-PFK气体的强吸收峰位置分别为1 200、 1 262及1 796 cm-1, 分子理论计算与气体实测的红外光谱吻合较好; 合成空气背景下1 262 cm-1位置CO2气体的吸光度为6.04×10-7, 150 nm滤波带宽内微水峰面积影响因子约为3.15×10-3, 谱线交叉干扰可忽略不计, 采用NDIR技术选择1 262 cm-1位置实现混合比检测切实可行; 以量程追踪光程, 传感器仿真测试结果显示6.5 mm光程可实现0~15%的C5-PFK混气混合比的检测。 传感器输出特性显示: 吸收变量SA/SB值随温度的升高而减小, 呈现非线性关系; 10%的C5-PFK/Air混气在BP神经网络算法温度补偿前后最大示值误差分别为29.23%及1.29%, 补偿后输出吸收变量SA/SB值基本保持不变; 传感器重复性测试显示RSD为0.27%, 小于3%; 不同浓度对应的传感器示值的线性拟合系数R2为0.999, 最大示值误差为2.47%。 综上, 验证了该检测方法及其传感器在C5-PFK气体混合比检测范围、 抗干扰能力及可靠性等方面优势, 为C5-PFK混气电气设备混合比检测提供一种可行的解决方案。
1, 1, 1, 3, 4, 4, 4-7氟-3-(3氟甲基)-2-丁酮 红外光谱特性 非分散红外技术 双波长红外差分 仿真测试 传感器输出特性 温度补偿 1, 1, 1, 3, 4, 4, 4-heptafluoro-3-(trifluoromethyl Infrared spectral characteristics NDIR technology Dual wavelength infrared difference Simulation test Sensor output characteristic Temperature compensation 光谱学与光谱分析
2023, 43(12): 3794
红外与激光工程
2022, 51(3): 20210746
1 广东电网有限责任公司电力科学研究院, 广东 广州 510080
3 河南省日立信股份有限公司, 河南 郑州 450001
六氟化硫气体在电力领域的广泛应用带来日益严峻的环保压力, 寻求可替代的新型环保绝缘气体已成为化学及电气学科领域研究的热点。 反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯[HFO-1336mzz(E)]气体因其优良的环保特性及高介电强度受到国内外的广泛关注。 开展光谱吸收特性及检测技术的研究对深化电气性能的研究意义重大。 采用自组装压强、 温度可调控多次反射长光程池, 组合傅里叶变换红外分光光度计(FTIR)及真空泵等搭建实验测试系统, 通过FTIR实验及仿真模拟首先研究了HFO-1336mzz(E)气体在常温常压、 1 100~1 350 cm-1波段的红外吸收特性; 并对测试背景中可能存在的CO2和H2O进行谱线交叉干扰分析; 重点研究了压强、 温度对HFO-1336mzz(E)气体在1 100~1 350 cm-1波段红外光谱吸收特性的影响; 同时基于非分散红外(NDIR)技术对HFO-1336mzz(E)气体低浓度泄漏及高浓度混合比传感器进行了仿真测试。 结果表明: HFO-1336mzz(E)的三个强吸收峰的中心波数分别为1 152, 1 267及1 333 cm-1, 模拟仿真红外光谱与气体实测结果吻合较好; 1 333 cm-1处干燥空气背景中CO2吸收强度数量级低至10-6, 在150 nm滤波带宽内水分子峰面积积分影响因子约为1.44×10-3, 谱线交叉干扰均可忽略不计, 而痕量泄漏检测时需要湿度补偿; 选择HFO-1336mzz(E)气体在1 333及1 267 cm-1位置分别作为NDIR技术实现低浓度泄漏及高浓度混合比检测的吸收谱线切实可行; 光谱吸收系数及谱线展宽随着压强升高而增大, 1 333及1 267 cm-1位置吸收系数随压强的变化率分别为0.273和0.118 cm-1·kPa-1; 随温度的升高峰值吸收系数减小, 谱线展宽变窄, 但不同位置吸收系数变化差异较大, 1 333及1 267 cm-1位置吸收系数随温度的变化率分别为-0.105 6和-0.035 cm-1·K-1。 传感器仿真测试结果显示1 333 cm-1处5 cm光程可实现0~1 800 μL·L-1低浓度痕量泄漏测试, 1 267 cm-1位置2 mm光程可实现0~10%高浓度混合比测试。 该研究为基于红外光谱吸收原理的光学气体传感器的研制提供实验与理论依据。
反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯 红外吸收特性 温度特性 压强特性 非分散红外技术 仿真测试 Trans-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-butene Infrared absorption characteristics Temperature characteristic Pressure characteristic NDIR technology Simulation test 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3099
1 中国科学院上海硅酸盐研究所无机功能材料与器件重点实验室，上海201800
2 中国科学院大学材料科学与光电工程中心，北京100049
3 上海师范大学，上海200234
4 南昌大学，江西 南昌330031
锰离子掺杂铌镁酸铅-钛酸铅(Mn∶Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3， Mn∶PMN-PT)弛豫铁电单晶在近、中红外波段具有较高的光透过率。通过在其表面上沉积具有宽光谱平坦吸收特性的红外吸收层，制备了热释电红外响应元。对该材料吸收红外辐射后产生的温度差以及热释电电流随频率的变化进行了模拟。讨论了电压模式热释电探测器的响应特性及其影响因素。进一步制备了基于Mn∶PMN-PT单晶的双通道补偿型热释电红外探测器。经实验得到的频率响应结果与模拟数据吻合，因此该探测器适用于基于非分散红外(Non-Dispersive Infrared， NDIR)原理的气体探测。
PMN-PT单晶 热释电 红外 PMN-PT single crystal pyroelectric infrared NDIR non-dispersive infrared
1 南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 江苏南京 210044
2 南京信息工程大学江苏省气象探测与信息处理重点实验室, 江苏南京 210044
为了实现对矿井有害气体的有效监测和控制, 本文基于非色散红外( NDIR)原理, 设计了一种双组分气体传感器。重点提出了一种反射式气室, 然后利用光学仿真软件 LightTools对腔体内的光线传播方向进行了光线追迹分析, 并对到达探测器 4个接收面的光强分布进行了模拟分析, 验证了该气室的可行性与优越性。在器件上选用电调制红外光源和热释电探测器, 由单片机处理电信号并输出气体浓度信息, 大大提高了检测精度。实验结果表明, 该传感器能够准确检测 0～2000 ppm范围内的甲烷与二氧化碳气体浓度, 满量程精度可达 4.5%。可以满足矿井内甲烷、二氧化碳气体浓度检测的需要, 具有广阔的应用前景。
双组分 光学仿真 气体传感器 NDIR NDIR, dual gas, optical simulation, gas sensor
中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
机动车尾气检测在防治机动车尾气污染中起到十分重要的作用, 非分散红外法(NDIR)气体传感器作为测量尾气 CO、CO2的核心部件, 其性能指标必须满足国家相关标准的要求。为了在设计的初始阶段实现对设计方案的优化和性能评估, 本文提出了一种 NDIR气体传感器的性能仿真分析方法, 通过计算和分析 NDIR气体传感器的响应函数来估算传感器可以达到的测量精度。将该方法应用于机动车尾气 NDIR气体传感器的设计中, 证明该方法具有一定应用价值。
机动车尾气 非分散红外 性能仿真分析 响应函数 vehicle exhaust NDIR performance simulation analysis response function
1 华中科技大学材料科学与工程学院， 湖北 武汉 430074
2 华中科技大学精密成型国家重点实验室， 湖北 武汉 430074
作为采用非色散分光红外吸收光谱(Non-dispersed Infrared, NDIR)原理的红外光谱气体分析仪的一个核心器件，热释电型红外气体探测器输出信号的特征与后级信号处理息息相关。基于PYS3228TC_G1G20热释电红外气体探测器在不同调制频率下对激励源和输出的原始信号的同步跟踪，深入分析了激励源与探测器输出信号之间的关系。通过这些实验，总结并得出了热释电型红外探测器的初始信号特征，为热释电型红外气体分析仪的信号处理提供了重要的理论参考。
热释电 信号处理 气体探测 pyroelectric effect NDIR NDIR signal processing gas detecting
1 北京林业大学水土保持学院,水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室, 北京 100083
2 中国水利水电科学研究院,流域水循环模拟与调控国家重点实验室, 北京 100048
为了探索土壤剖面CO2浓度以及不同土壤层(腐殖质H层、A层、B层、C层)土壤呼吸的变化规律,应用非分散红外(NDIR)技术的新方法,持续不间断的测量土壤剖面二氧化碳浓度.实验所用的主要仪器为硅基非分散红外测量仪,能在高湿、高粉尘、污垢及其他恶劣环境中进行光谱数据采集.通过2013年全年光谱测定值的采集,并应用梯度法模型计算不同深度土壤碳通量,同时利用LI-8100碳通量自动监测系统持续监测的土壤碳通量值进行回归分析.结果显示:土壤剖面CO2浓度呈现明显的梯度变化,即随着土壤深度的增加,土壤CO2浓度增大;梯度法模型得出的不同土壤层的土壤呼吸模拟值与实测土壤呼吸值之间具有较好的线性相关,H,A,B,C层的模型预测的决定系数(R2)分别为0.906 9,0.718 5,0.838 2,0.903 0,均方根误差(RMSE)分别为0.206 7,0.104 1,0.015 6,0.009 6.均达到了较好的预测结果,表明该方法对定量分析不同土壤层碳通量是可行的.该方法具有清晰揭示土壤CO2在不同土壤层之间的传输规律,以及有助于分析不同土壤层土壤呼吸特性的优点,能为全球土壤剖面碳通量计算提供基础数据,是一种具有发展前途的传感器。
非分散红外(NDIR)技术 土壤剖面 二氧化碳 碳通量 Nondispersive infrared spectroscopy technique Soil profile Carbon dioxide Carbon flux
中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
CO2 作为大气中主要的温室气体,其全球变暖影响比例因素为60%,对全球生态系统和社会发展带 来严重影响,因此开展CO2 的监测非常必要。基于可调谐半导体激光吸收光谱原理,在室 温下通过扫描DFB激光器波长,得到CO2 位于2004 nm的直接吸收光谱,根据Beer-Lambert定律,反演 出CO2 浓度。为了验证实验的精度,同时与基于非分散红外原理的生态通量的标准仪 器作对比,结果显示两者的测量精确度相当,可以达到0.2 ppm。这些研究 为今后的仪器小型化和外场CO2 长时间监测提供了基础。
可调谐半导体激光吸收光谱 Beer-Lambert定律 直接吸收 tunable diode laser absorption spectroscopy NDIR NDIR Beer-Lambert law direct absorption
总有机碳是以碳的含量来表示水体中有机物总量的综合指标,比化学需氧量等参数更能准确反映有机污染程度。根据CO2气体对红外光的吸收与其浓度的关系符合Lambert-Beer定律,研制了一种非分散红外法总有机碳检测仪。该仪器能将待检测的水样导入反应器,水样中有机物被氧化成CO2,非分散红外模块检测到的CO2浓度与水样中总有机碳浓度具有良好的对应关系。具体论述了该仪器的工作流程、分析方法和数据处理方法。测试结果表明仪器的检测下限优于0.5 mg/L。该仪器可以为污染减排工作提供可靠的数据支持,完善污染物总量减排监测体系建设。
文字间用 号隔开空半格测量 总有机碳 非分散红外吸收 水质 measurement TOC NDIR water quality
