1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所光子器件与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031
3 中国科学院合肥物质科学研究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
4 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
5 国家管网集团科学技术研究总院，河北 廊坊 065000
针对石油化工、煤矿安全等领域对气体浓度宽量程检测的需求，对波长调制光谱检测气体浓度时的非线性特征进行了研究，提出仅用波长调制方法实现气体浓度的宽动态范围测量。该方法根据激光吸收光谱技术原理，对吸收项及其泰勒展开式进行分析，在小吸收度时采用线性近似，在大吸收度时采用三次多项式近似。并且使用甲烷气体（CH4）作为实验对象，搭建了CH4检测系统，验证了该方法在气体浓度宽量程检测方面的可行性。经过实验验证，该方法能够实现4个数量级大跨度范围（1.5×10-6~10000×10-6）的CH4检测。对阈值为1000×10-6（在3 m有效光程下吸收度为0.0236）以下和以上的气体体积分数分别进行检测，反演浓度和标准浓度之间均表现出良好的相关性，拟合优度均大于0.999。另外，在吸收度大于0.0236的范围内，该方法的最大测量相对误差为0.93%，绝对误差为-92.1×10-6。为了验证其稳定性，对体积分数为5000×10-6（吸收度为0.118）的CH4进行长时间测量，并统计其反演浓度的高斯分布，经过计算得到其半峰半宽为15.9×10-6。实验证明该方法突破了传统波长调制光谱只能测量低浓度的局限，在宽量程检测中获得了良好的检测结果，为气体浓度宽量程检测提供了一种新思路，同时也大大拓宽了波长调制光谱的应用范围。
光谱学 波长调制光谱 非线性特征 甲烷气体（CH4） 宽量程检测
为了满足便携式辐射测量仪同时测量X、γ和中子辐射场的需求，设计基于LaBr3（Ce）晶体、硅酸锂铝（Lithium Aluminum Silicate Oxygen，LASO）型中子探测器、高量程盖革-米勒（Geiger-Muller，GM）计数管的便携式多功能辐射检测仪。对LaBr3晶体输出的光信号经光电倍增管光电转换后，采用一体化数字多道进行数据采集处理及运算，对中子探测器和GM管计数器分别设计前置信号处理电路，并对其进行放大、甄别、整形等处理。最后将LaBr3探测器处理的数字信号以TTL（Transistor-Transistor Logic）串口形式传输给ARM（Advanced RISC Machine）处理器，将中子探测器和GM计数管成形后的脉冲信号接入到ARM外部计数端口。ARM对LaBr3探测器采集的γ数据进行能谱显示、低剂量率测量，对中子探测器、高量程GM管计数器分别进行定时计数，通过计数率换算成剂量率进行显示。该便携式多功能辐射检测仪可实现宽量程γ、低能X射线和中子剂量率的同时测量以及LaBr3能谱仪的核素识别，并通过USB接口将数据上传到PC端。
低能X射线测量 宽量程γ测量 γ核素识别 中子测量 Low energy X-ray measurement Wide range γ measurement γ nuclide identification Neutron measurement
华中光电技术研究所-武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430223
介绍了一种宽温度工作MW级峰值功率人眼安全激光器。采用半导体激光交叉泵浦Nd∶YAG 1.06 μm激光器作为泵浦源, 内腔泵浦非临界相位KTP光参量振荡器实现人眼安全激光输出。激光器性能测试结果表明, 在工作频率为5 Hz时, 激光平均输出能量56 mJ, 脉宽为2.02 ns, 峰值功率达到28 MW, 激光发散角约为5 mrad。在-45～65 ℃环境条件下, 激光能量变化优于3.8%, 在高低温环境下能长时间工作。该激光器结构紧凑、可靠性高, 目前已工程化应用于激光测距、激光成像中。
半导体激光器 交叉泵浦 非临界相位匹配 宽温度工作 人眼安全 cross-pumped semiconductor laser non-critical phase match wide range temperature eye-safe
1 山东交通学院 轨道交通学院，山东 济南 250357
2 西安市智慧高速公路信息融合与控制重点实验室，陕西 西安 710064
3 济南重工集团有限公司， 山东 济南 250109
4 长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安 710064
为了解决目前国内自主研发的激光位移传感器基准工作距离短和测量范围小的问题，设计了一种适用于远距离测量的大量程激光位移传感器成像光学系统。基于激光三角测量原理，结合具体使用要求计算了大量程激光位移传感器的性能指标和成像光学系统的设计参数。选择5片式透镜结构作为系统的初始结构，利用光学设计软件对大量程激光位移传感器成像光学系统进行了仿真，完成了系统优化和性能分析，实现了基准工作距离为1 000 mm、量程为±500 mm、分辨率为0.4 mm的大量程激光位移传感器成像系统设计。结果表明，在测量范围±500 mm内，系统均可以满足成像质量要求。该激光位移传感器成像系统具有工作距离远、测量量程大、结构简单的特点，可满足1 000 mm远距离处大量程范围的测量使用要求。
激光位移传感器 激光三角测量 大量程 成像系统 光学设计 laser displacement sensor laser triangulation wide range imaging system optical design
长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410000
针对一类含有非匹配干扰的高阶非线性未知系统的控制问题，采用一种基于自耦比例-积分(ACPI)控制理论的虚拟递推控制方法,该方法通过引入未知状态和总和扰动的概念，将非匹配非线性系统映射为等价的线性未知系统，并构建了一个在总和扰动反相激励下的受控误差系统，结合ACPI控制理论构造了以速度因子为核心联系因子的ACPI虚拟指令，为了有效避免反步控制中存在的“微分爆炸”问题，将各虚拟指令的微分定义为未知有界扰动。仿真结果表明了ACPI控制系统不仅具有良好的动态品质和稳态性能，而且具有良好的抗扰动鲁棒性，因而在高阶非线性未知系统控制领域具有广泛的应用前景。
非匹配非线性未知系统 ACPI控制理论 虚拟递推控制 自适应速度因子 大范围鲁棒稳定性 unmatched nonlinear unknown system ACPI control theory virtual recursive control adaptive speed factor robust stability over a wide range
中国计量大学 光学与电子科技学院, 杭州 310018
光纤布喇格光栅(FBG)因其响应速度快和准分布式测量等优势广泛应用于氢气测量领域。为进一步扩大氢气浓度测量范围, 提出一种基于介孔型掺铂三氧化钨(Pt/WO3)粉末的FBG氢气传感器, 并级联一个FBG传感头用以温度补偿。实验结果表明: 将氢气浓度从0递增到32%, FBG的中心波长最大飘移量为320 pm, 响应时间约为10 s, 并且在0~14%氢气浓度范围内有较好的线性关系, 灵敏度为11.69 pm/%H2, 可以实现准分布的氢气浓度传感。
氢气传感器 布喇格光纤光栅 温度补偿 大范围氢气浓度 Pt/WO3粉末 hydrogen sensor fiber Bragg grating temperature compensation wide range of hydrogen concentration Pt/WO3 powder
国防科技大学 空天科学学院, 新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室, 长沙 410073
CO作为一种高毒性的气体,既是污染空气的元凶之一,长时间吸入也会对人体造成极大的伤害,甚至致死。如何实现CO的快速监测是传感领域面临的重要挑战。CO监测对保护人类健康和环境来说是一项必要的工作。在该研究中, 多孔CeO2纳米片(CeO2 NSs)通过火焰退火用简单水热法合成的中间产物CeOHCO3纳米片而得到。通过控制火焰退火时间, 可将氧空位引入到CeO2纳米片中。结果表明, 退火2 min得到的CeO2纳米片(CeO2-2min NSs)对CO气体表现出优异的重复性和选择性。尤其是, CeO2-2min NSs在450 ℃对500 μL/L CO的相应/恢复时间极快(2 s/2 s), 在宽范围内(10~10000 μL/L) CO浓度与响应值之间存在良好的函数关系。CeO2-2min NSs优秀的气敏性能可归因于多孔二维结构高的比表面积和晶体内丰富的氧空位。这项工作对设计检测宽范围气体的快响应气体传感器提供了借鉴。
1 中国科学院 声学研究所, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100190
该文提出了一种面向航天航空飞行器宽量程压力检测的声表面波（SAW）传感器的设计方法。在Y切石英晶体上, 利用半导体平面工艺设计并制作了单端对谐振型传感器, 在此基础上, 通过石英干法刻蚀工艺制备了压力参考腔, 并构建了全石英封装的面压式传感结构。利用搭建的气压测试平台, 对制备的SAW传感器性能进行测试, 测试结果表明, 传感器在0~3.6 MPa量程内获得了1.36 kHz/MPa的检测灵敏度, 并表现出良好的线性度。
声表面波 气压传感器 单端对谐振器 宽量程 全石英封装 SAW pressure sensor one-port resonator wide range all quartz package
强激光与粒子束
2021, 33(1): 012003
1 清华大学 航天航空学院，北京 100093
2 北京振兴计量测试研究所，北京 100074
多波长测温是一种先进的辐射测温技术，其原理是假定发射率光谱模型，利用测得的多波长辐射与波长发射率函数关系，求得目标的真温和发射率。多波长成像测温技术通过探测目标的多波长辐射图像信息，反演计算得到目标的温场分布。针对基于彩色CCD的多波长成像测温不能适应非线性光谱发射率模型、测温动态范围较窄等不足，提出了一种基于光阑处非等比例滤色分光的四波长无扫描成像测温方法，有效压缩了波段成像带宽，形成了四个窄波段的成像探测，适用于非线性光谱发射率模型目标宽动态范围温场测量。根据提出的测温方法研制了四波长成像测温仪。测温仪主要由窗口、中性衰减片、四色滤光片、光学物镜镜头、可见/近红外集成传感器、测量控制单元及软件等部分组成。测温仪软件由目标四个波长的单色成像图像，得到目标的真温温场分布。在激光加热条件下对800~2500 ℃目标高温温场进行了试验测试，测量结果与热电偶数据比对表明误差小于1%，具有较高的准确度和较好的动态范围适应性。
成像测温 多波长 无扫描 宽范围 imaging temperature measurement multi-wavelength non-scanning wide range 红外与激光工程
2021, 50(5): 20200394
