利用ANSYS有限元软件分析了横向磁场下不同坩埚转速对200 mm半导体级直拉单晶硅的流场及氧浓度的影响。研究结果表明: 在横向磁场下, 硅熔体的流场和氧浓度分布呈三维非对称性, 熔体对流形式主要包括泰勒-普劳德曼漩涡、浮力-热毛细漩涡及次漩涡, 其中前两者有助于氧挥发, 而次漩涡则起到抑制作用。当坩埚转速较低(0.5~1.0 r/min)时, 较弱的熔体对流强度导致坩埚壁与固液界面间的热传导效率低, 氧主要以扩散机制迁移至固液界面, 熔硅中氧浓度高; 当坩埚转速较高(2~2.5 r/min)时, 氧通过强对流形式迁移至固液界面。随着坩埚转速增加, 次漩涡和浮力-热毛细漩涡的作用强度提高, 浮力-热毛细漩涡影响区域远离自由表面, 使硅熔体中的氧浓度呈先下降后上升的趋势。数值模拟结果与实验结果均表明, 在横向磁场条件下优选1.5 r/min的坩埚转速可获得平均氧浓度较低的单晶硅。上述分析结果可以为横向磁场下半导体级单晶硅拉晶参数优化提供参考依据。

为探明氧浓度对海水海砂砂浆中钢筋锈蚀的影响, 采用丝束电极技术, 研究不同氧浓度(5%、21%、85%, 体积分数)和水胶比(0.48、0.18)的海水海砂砂浆中电极表面腐蚀电位分布与电化学阻抗谱的时变规律。结果表明, 丝束电极的极化电阻随腐蚀龄期的增加而降低, 腐蚀电流密度随腐蚀龄期的增加而增加, 且水胶比越大、氧浓度越高, 两者的变化幅度越大。根据测试结果可判断, 钢筋腐蚀的概率随氧浓度的增加而增大: 较低的氧浓度(5%)可大大延缓钢筋由氯离子引发的脱钝行为, 从而有效抑制钢筋腐蚀; 而在高氧环境下, 砂浆中钢筋的锈蚀是一个由局部到全面逐步氧化的非均匀锈蚀过程。减小水胶比可有效提高海水海砂水泥基体系中钢筋的耐腐蚀能力。

采用同时测量红绿蓝(RGB)三种颜色的数字颜色芯片,实现了一种同步监测氧气和温度的便携式传感器。涂覆于颜色芯片上的传感膜由三种荧光染料嵌入有机改性硅溶胶凝胶基质构成。所有染料均用405 nm的发光二极管光源激发,其荧光波长分别与颜色芯片的RGB 三个通道相匹配且无光谱交叠。不同氧气浓度和温度下的实验结果表明,所研发的传感器能有效地同步监测氧气和温度,且在氧气浓度为0%~30%和温度为25~75 ℃时具有良好的线性响应。

应用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术开放单光路短光程检测西林瓶内氧气浓度, 因玻璃瓶壁造成入射光多次反射和透射, 形成多光束干涉, 严重影响信号波形和检测精度。 本文提出了一种改变激光入射角度来抑制瓶壁光学干扰的方法, 理论分析了入射角度对透射光强分布的影响, 详细推导了使两相干光束叠加部分在接收端探测范围之外的入射角度计算公式, 并根据现场参数得到理论最佳入射角度。 对氧气浓度1%的样瓶进行多次测量, 将二次谐波信号峰值的平均值作为信号, 峰值的标准差作为噪声, 以信噪比(signal to noise radio, SNR)最大作为系统入射角角度的优化指标, 实验获得系统的实际最佳入射角度。 与决定系数较高的入射角度进行浓度预测对比, 交互验证后的最小二乘拟合结果显示: 相关系数分别为0995 9和0988 9, 前者相比后者提高了07%, 预测的均方根误差(root mean square errors of prediction, RMSEP)分别是0003 1和0005 3, 前者相比后者降低了415%, 说明本文方法所确定的最佳入射角, 能有效抑制玻璃瓶壁引起的多光束干涉影响, 改善系统检测精度。Spectroscopy

六氟化硫(SF6)气体因其优良的绝缘和灭弧性能, 被广泛应用于高压绝缘设备中。 然而, 当存在H2O和O2等杂质时, SF6气体在局部放电等作用下分解成的低氟化物会进一步与杂质发生反应生成稳定的氟硫氧化物和氢化物, 使得设备绝缘性能下降, 危害电网安全, 因此检测和分析SF6中微水、 微氧及其分解产物具有重要意义。 采用激光诱导击穿光谱技术测量了SF6中的痕量O含量。 利用CaF2作为窗口材料, 解决了窗口材料在不断腐蚀作用下引起的激发能量逐渐衰减以及窗口材料与SF6气体击穿产物反应引入的污染影响测量结果的问题, 消除了由激发条件改变引起的等离子体状态的变化; 通过测量不同O含量的SF6气体激光诱导击穿光谱, 结合迭代小波分析对实测光谱进行基线校正和降噪处理, 通过定标曲线获得了O元素检测限为38 ppm。 利用偏最小二乘法建立了稳定的定量分析模型, 改善了定量分析模型的稳定性和精度。

应用激光波长调制光谱(WMS)技术, 建立了一种开放光路短光程检测玻璃药瓶内氧气含量的方法。 选择氧气分子位于760.885(13 142.58 cm-1)的吸收谱线, 通过多次调试优化了系统相关参数, 给出了实时扣背景及实时谱线校正等数据处理的方法和步骤。 采集七种不同氧气含量的玻璃药瓶样本, 获取相应的二次谐波信号, 分别建立二次谐波峰值、 半高谱峰面积与浓度的线性回归方程进行定量预测。 实验结果表明, 其拟合系数分别为0.996 6和0.997 8, 后者相比前者的标定方法提高了0.12%。 采用完全交互验证的方法来评价两个模型的预测精度, 其预测的均方根误差(RMSEP)分别是0.003 1和0.002 0, 后者相比前者降低了37.69%。 对浓度是4%的气体样品, 比较不同时间的20次测量结果, 标准差分别为0.002 2和0.001 6, 后者相比前者降低了27.3%, 同时其测量灵敏度分别为0.198%和0.097%, 后者相比前者的灵敏度提高了约51%。 证明了该系统及数据处理方法对玻璃药瓶内氧气含量检测是可行的, 且利用半高谱峰面积更丰富的幅值信息来反演气体浓度可以降低波峰失真影响, 检测精度更高, 稳定性更好。

采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术，利用氧气在760 nm 波段的吸收谱线对氧气浓度进行实时在线测量。研制了基于TDLAS直接吸收技术的氧气检测系统，采用压控放大器设计了自动增益控制模块，实现了对光谱信号幅度的精确控制，解决了现场测量中信号幅度波动的问题；采用归一化洛伦兹函数实现Voigt函数的近似计算，并结合Levenberg-Marquardt非线性拟合算法实现了对光谱吸光度曲线的快速Voigt线型拟合，以适应实时在线检测需要。实验结果表明，该算法可以实现吸光度曲线的Voigt线型拟合，对固定浓度的氧气进行连续测量得到系统的最低检测限为523×10^-6 m，系统的标准偏差为1.75%。检测系统稳定可靠，满足实时在线氧气浓度检测应用。

氧气浓度是工业生产过程中重要监测参数, 采用可调谐二极管激光吸收光谱法(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS), 结合波长调制技术, 可以实现对现场氧气浓度的高精度在线监测, 利用氧气位于760 nm处的特征吸收峰进行了氧气浓度的测量。 由于激光具有很强的相干性, 所以TDLAS技术的检测灵敏度受到光学干涉噪声的严重制约, 特别在低浓度时, 光学干涉引起的基线起伏使得提取吸收峰波形信号时出现较大误差, 影响了TDLAS分析仪的监测灵敏度。 针对这一情况, 采用了Levenberg-Marquardt非线性拟合算法, 并且利用了吸收谱线线型——洛伦兹线型的导数形式对波长调制后获得的二次谐波波形信号进行拟合, 提取波形信息。 另一方面Levenberg-Marquardt非线性拟合方法需要有大量的计算, 为了使研制的TDLAS分析仪能够实现现场的实时监测, 采用了支持浮点运算的DSP的C28系列芯片进行数据处理, 实现仪器在现场实时监测的功能。 实验结果表明, 该算法能够有效提取二次谐波信号的吸收峰特征值、 克服背景噪声影响, 由算法反演得到的氧气浓度与实际浓度的线性比值为1.01, 浓度测量的线性误差为1.18%。

氧气在工业生产、环境检测、医疗卫生以及人们的日常生活中都起着非常重要的作用,国内外对高效灵敏的氧气检测手段迫切需求。为了克服传统氧气测量方法的弊端,通过改变温度和电流对激光二极管（LD）发射波长进行调节,利用氧分子在波长760 nm附近的A带吸收峰,以实现对实际环境中氧气浓度的快速测量,并拥有较好的精度和线性度。与传统的基于LD调制的氧气浓度测量技术不同,该方法具有测量直接、装置简单等特点,并且适合于测量各种环境下的氧气浓度。