大气与环境光学学报
2023, 18(5): 401
1 吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区，长春 130012
2 吉林省红外气体传感技术工程研究中心，长春 130012
由于红外热释电探测器在低温环境下易发生温度漂移，导致非分散红外（NDIR）二氧化碳（CO2）农业火灾检测仪受低温影响较大。针对上述问题，本文设计了一种应用于-40 ℃低温环境的探测器温度控制系统。给出了NDIR农业火灾检测仪的原理，探究了热释电探测器温度漂移现象，在此基础上，设计了以STM32F103为核心的温度控制系统。将温度控制系统集成于火灾检测仪中，在-40 ℃环境温度下，将探测器温度从20 ℃起始温度控温，稳定在21 ℃的响应时间为16 s，温度波动的1σ值为0.012 6 ℃，响应时间和稳定性均满足低温环境下的控温需求。在控温条件下，对传感器进行了标定，将气体标定实验得到的吸收通道与参考通道电压信号的一次谐波幅值比和标准气体浓度值进行指数拟合，拟合优度达到了99.852%。利用纯氮气（N2）样品，对检测仪进行了25 min的稳定性测试，测得的浓度波动范围为-28.128 76×10-6~27.240 5×10-6。引入Allan方差进行评估，当积分时间为0.25 s时，检测下限为1.213 01×10-6；当积分时间为114.75 s时，理论上系统的检测下限可达到4.822 5×10-7。实验结果表明，该温度控制系统可以保证火灾检测仪在低温环境下的正常工作。
火灾检测 气体吸收 温度控制 BUCK电路 牛顿迭代法 增量式PID Fire detection Gas absorption Temperature control Buck circuit Newton iteration method Incremental PID
1 华中科技大学 光学与电子信息学院, 湖北 武汉 430074
2 华中科技大学 武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430074
3 华中科技大学 鄂州工业技术研究院, 湖北 鄂州 436044
为了降低光学气体浓度传感器的制造成本, 利用 Zemax 光学设计软件设计并优化了一种适用于热光源的米级光程红外气体吸收池结构。结构由两个准直、聚焦光线的抛物面反射镜和五个用于增加光程的平面镜构成。仿真结果表明, 气体吸收池由于几何结构导致的光功率损耗仅为1%, 其光程达到了1049.75mm, 对比传统透镜结构的气体吸收池, 此结构具有体积小、光程长、损耗率低以及拓展性强等特点, 可应用于构建低成本、亚PPM级红外气体传感器。
光学设计 气体吸收池 反射式结构 气体浓度检测 optical design gas absorption cavity Zemax Zemax reflective structure gas concentration detection
提出了一种基于气体吸收光谱的新型激光测距技术，将携带气体吸收光谱信息的参考光信号和测量光信号混频，利用傅里叶变换提取光程差，从而得出距离信息。根据推导的测距原理设计了基于激光甲烷遥测仪的测距系统，通过Matlab软件对测距过程进行了仿真分析。仿真结果验证了新型气体激光测距技术的可行性，为开发激光气体雷达指出了有意义的探索方向。
气体吸收光谱 激光测距 拍频 系统仿真 gas absorption spectroscopy laser ranging beat frequency system simulation
1 中国科学院 上海应用物理研究所, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
为了确保光栅单色器温度起伏引起的能量漂移不影响光束线的表观能量分辨率, 建立了单色器高精度的恒温环境。结合上海光源梦之线设计, 根据光栅衍射方程推导出单色器温差与能量漂移之间的关系; 据此设计了沿光束方向温度起伏较小的单色器恒温环境, 测试了温度控制系统不同条件下的长期温度稳定性, 并通过长时间多次测量氮气K边吸收谱的方法, 得到了相应的能量漂移。结果显示: 温度控制系统未启动的情况下, 棚屋内最大温度变化约为0.62 K, 测得的能量漂移约为49 meV; 温度控制系统使用独立冷水机时, 最大温度变化约为0.20 K, 相应的能量漂移约为17 meV。实验表明, 建立的单色器恒温环境满足设计要求, 使得单色器温差引起的能量漂移对梦之线表观能量分辨率的影响得到有效控制。
光栅单色器 温度起伏 能量漂移 气体吸收谱 能量分辨率 grating monochromator temperature fluctuation energy drift gas absorption spectra energy resolution
集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区, 吉林大学 电子科学与工程学院, 长春 130012
利用一个波长为3.291 μm的室温连续、带间级联激光器和一个有效光程长为54.6 m的多通池, 研究了用于中红外甲烷检测的压强测量及补偿技术。通过对测得的甲烷直接吸收光谱信号进行洛伦兹吸收线型拟合, 测量了吸收池内气体压强并补偿了压强变化对甲烷浓度的影响。利用浓度为2.1×10-6的甲烷气体样品, 在1.33×104~10.64×104 Pa的范围内进行了压强标定; 对压强为9.31×104 Pa、浓度为2.1×10-6甲烷气体样品的压强测量结果进行阿仑方差分析, 结果表明, 当积分时间为2.2 s时, 压强的测量精度约为219.5 Pa。在1.33×104、3.99×104和6.65 ×104 Pa三种不同压强条件下, 对浓度分别为1.0×10-6、1.2×10-6、1.4×10-6、1.6×10-6、2.1×10-6甲烷气体样品的浓度和压强做了15组测量, 验证了所给出的压强测量和补偿技术的可行性。
传感器技术 气体传感器 红外光谱 甲烷检测 气体吸收 吸收光谱 激光光谱 红外激光器 Sensor technology Gas sensor Infrared spectroscopy Methane detection Gas Absorption Absorption spectroscopy Laser spectroscopy Infrared laser
1 清华大学 精密仪器系, 北京 100084
2 北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院, 北京 100124
为了满足环境监测需求, 需要研制一种能够对挥发性有机化合物(VOCs)成分进行在线高灵敏度、高保真监测, 并适用于傅里叶变换红外光谱探测配备的气体吸收池, 采用光学追迹结合有限元分析的方法, 分别对气体池物镜夹持调节机构与光学整体结构固定方式进行优化设计, 较为有效地解决了在VOCs监测中气体池工作温度要求下光学器件形变校正的问题, 可优化80℃~180℃工作范围内的光能传输效率。给出了一种适用于VOCs气体特定温度条件下吸收池出射能量优化设计的方法, 并以此方法为基础, 设计加工了一型气体吸收池, 进行了热环境测试。结果表明, 该吸收池具备在80℃~180℃工作范围内稳定的传输效率, 能够应用到VOCs在线监测系统中进行测量。
光学设计 气体吸收池 VOCs在线监测 光学追迹仿真 有限元分析 optical design gas cell on-line volatile organic compounds sensing optical ray-tracing simulation finite element analysis
中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
超光谱大气CO2探测需对遥感器进行精确表征及定标, 其中光谱定标工作最为基础。 针对传统实验室定标方法获取的波长定标系数不确定度高等特点, 开展基于气体吸收法原理的光谱定标误差修正研究, 该方法与仪器使用状态一致 , 提高了定标系数实用性。 首先利用辐射传输进行了理论光谱及误差因素模拟计算, 并基于大气环境模拟定标仓开展了大气CO2吸收光谱测量实验, 最后采用LM算法进行光谱误差修正迭代优化。 光谱定标误差修正结果表明: 光谱偏差均值由修正前的0.03 cm-1下降到修正后0.008 cm-1, 且系统性与突变性误差得以剔除, 大大提高了地面光谱定标精度, 为后续温室气体反演奠定了基础。
光谱定标 气体吸收 LM算法 辐射传输 Spectral calibration Gas absorption LM algorithm Radiative transfer 光谱学与光谱分析
2016, 36(7): 2296
