1 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院, 合肥 230601
2 大连理工大学 光电工程与仪器科学学院, 大连 116024
为了满足变压器中绝缘纸板因过热或者放电故障产生的一氧化碳气体的在线监测需求, 提出了一种基于光纤光声传感的油中溶解一氧化碳气体检测技术。采用光声光谱气体检测技术、并结合光纤传感和膜分离技术, 设计了集成油气分离和气体检测功能于一体的光纤光声传感探头, 油中溶解的一氧化碳气体通过油气分离膜进入到光纤探头中的微型气腔; 采用两根光纤将探头连接到解调仪器, 分别传输近红外激发光和探测光; 气体吸收光能产生的光声信号被光纤法布里-珀罗传感器探测, 并被设计的光纤光声解调模块进行信号处理, 获得系统对一氧化碳气体体积分数的检测灵敏度为0.345pm/10-6。结果表明, 所设计的光纤传感系统对油中溶解一氧化碳气体体积分数检出限达到5×10-6。该研究具有精度高、抗电磁干扰、脱气简单的优势, 为变压器油中溶解一氧化碳气体的检测提供了新方法。
传感器技术 微量气体检测 光声光谱 变压器 油中溶解气体分析 sensor technology trace gas detection photoacoustic spectroscopy transformer analysis of dissolved gas in oil
采用窄线宽、边模抑制高的DFB激光器研制一套开放型TDLAS波长调制技术气体检测装置。选取2 004 nm处CO2分子吸收峰作为吸收谱线,采用锁相放大器进行调制、解调后的二次谐波信号幅值检测气体浓度大小。设计基于开放环境中的Herriott型气体吸收池,使用ZEMAX非序列模式进行吸收池仿真,光线追迹后理论光程可达到1 350 mm,实际光程由50 mm增加到300 mm,检测浓度下限数值由原先的1 300 ppmv降低到214.28 ppmv,有效提高了系统的检测下限能力。配置不同浓度的CO2气体检测,得到二次谐波信号幅值与浓度之间呈现很好的线性关系,其拟合系数为0.998 39,可通过拟合直线方程计算得出待测气体的浓度。配置300 ppmv的CO2进行Allan方差分析,积分时间到101.6 s时,Allan方差处于平稳状态,检测系统的灵敏度为1.51210-5。检测结果表明检测装置实现了对CO2气体浓度准确测量。该装置可进行结核分枝杆菌呼吸产生的CO2气体浓度进行检测,为肺结核病诊断提供依据。
TDLAS-WMS 谐波信号 痕量气体检测 DFB激光器 CO2 TDLAS-WMS Harmonic signal Trace gas detection DFB laser CO2
1 中国科学技术大学合肥微尺度物理科学国家实验室, 安徽 合肥 230026
2 中国科学技术大学中国科学院量子信息与量子物理卓越创新中心, 安徽 合肥 230026
氢气作为潜在的能源载体和工业材料,在众多领域发挥着日益重要的作用。在很多应用中, 对氢气的检测需要有更高的灵敏度、更快的响应和更大的动态测量范围。腔增强拉曼光谱法 (CERS) 通过 Pound-Drever-Hall (PDH) 稳频技术将激光和高精细度的光学谐振腔锁定, 实现了 1900 倍的腔内功率增益, 用于痕量氢气的检测。在 7 mW 的激光输入功率下, 当积分时间为 100 s 时, 自行搭建的腔增强拉曼光谱装置对 H2 的检测限为 2 Pa。实验结果还表明拉曼散射强度与激光功率和气体压力具有良好的线性关系, 示范了 CERS 方法高精度气体定量分析的潜力。
光谱学 痕量气体检测 腔增强拉曼光谱 氢气 光学谐振腔 Pound-Drever-Hall 技术 spectroscopy trace gas detection cavity-enhanced Raman spectroscopy hydrogen optical resonant cavity Pound-Drever-Hall technique
1 山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室, 激光光谱研究所, 山西 太原 030006
2 山西大学极端光学协同创新中心, 山西 太原 030006
多通池 (MPC) 作为可调谐半导体激光吸收光谱 (TDLAS) 技术的核心器件, 用于增加探测光束与待测气体样品之间的相互作用距离, 从而提高探测灵敏度。近年来, 随着激光光谱传感器对小型化、便携性的需求逐渐增加, 小体积且长光程的多通池成为当前的研究热点。对当前主流发展的多通池设计原理和应用研究进行了综述, 首先介绍了目前国际上常用的赫里奥特多通池理论计算模型和基于球面镜像差理论的双球面镜多通池计算模型, 进而讨论了基于微型多通池和可调谐半导体激光的吸收光谱传感系统的搭建,以及小体积、长光程多通池的性能优势, 最后展望了微型多通池的发展方向与应用前景。
光谱学 多通池 可调谐半导体激光吸收光谱 痕量气体检测 spectroscopy multi-pass cell tunable diode laser absorption spectroscopy trace gas detection
1 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院, 安徽 合肥 230601
2 国网安徽省电力有限公司, 安徽 合肥 230061
3 大连理工大学光电工程与仪器科学学院, 辽宁 大连116024
高浓度的CO2会对H2S的检测精度产生较大影响。本文提出了一种基于光纤放大增强型光声光谱的H2S与CO2检测技术方案,采用单个分布反馈式激光器串联高功率掺铒光纤放大器作为光声激励光源,实现了对H2S与CO2的同时高精度检测。分析了CO2在所选H2S吸收线处对H2S检测产生的干扰,同时利用检测到的CO2浓度对测量的H2S浓度进行修正。实验结果表明,修正后的H2S浓度偏差保持在-5%~5%以内。使用Allan方差分析对系统的检测极限进行了计算,当积分时间为1 s时,该系统对H2S和CO2的检测极限分别为656.3×10 -9和25.2×10 -6;当积分时间为100 s时,系统对H2S和CO2的检测极限分别为61×10 -9和2.6 ×10 -6。计算得到的对H2S检测的归一化噪声等效吸收系数为5.5×10 -9 cm -1·W·Hz -1/2。本系统具有检测精度高和稳定性好的优点。
光谱学 微量气体检测 光声光谱 掺铒光纤放大 近红外激光器 交叉干扰
1 智能无线通信湖北省重点实验室, 中南民族大学电子信息工程学院, 湖北 武汉 430074
2 南洋理工大学电气电子工程学院, 新加坡 新加坡 639798
3 华中科技大学武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430074
在基于光声光谱技术的痕量气体检测系统中,光声池是决定系统性能的关键部件。针对传统柱形光声池受限于形状优化参数的问题,本文提出并设计了一种母线为双曲线的曲体束腰型光声池方案,该方案创新性地引入了母线离心率参数,实现了三维立体优化。本文基于有限元分析方法,利用COMSOL软件构建模型,分析母线离心率为7.14的光声池结构,得到了该结构在热黏性损耗作用下的前八阶声学模态值以及可视化振型。仿真结果表明,所设计的光声池的品质因数高达83.3;对光声池进行形状优化,发现光声池谐振腔长度对谐振频率敏感,母线短半轴长对声压幅值敏感。通过调节母线离心率可以有效地调节谐振频率且不影响声压幅值。光声池的幅频响应特性表明,较小的离心率易激发多谐振峰,在离心率为5时,激发的第一、第二谐振峰较强,它们的品质因数分别为75.9和128.9。本研究表明,此类曲体束腰型光声池具有优良的性能及较高的可设计度,对新型光声检测技术具备多场景适应能力,具有重要的理论和工程应用价值。
光谱学 光声光谱 痕量气体检测 有限元方法 光声池 声学模态值