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 长春 130012
2 汕头大学 工学院 智能制造技术教育部重点实验室, 广东 汕头 515063
为了实现大范围、长距离的大气烷烃气体检测, 将研制的中红外双组分甲烷、乙烷传感器以车载方式, 对某一地区的大气甲、乙烷含量进行了移动探测。该传感器系统采用中红外室温连续的带间级联激光器(ICL)作为光源, 采用高速数据采集卡采集信号, 利用上位机LabVIEW平台编写程序产生激光器扫描及调制信号、获取探测器信号并提取二次谐波, 通过计算, 确定大气烷烃气体浓度。根据气体采样时间、实时风速及车速, 计算得到系统的响应时间为82.5 s, 实验测量为85~95 s, 与理论一致。对系统噪声水平进行测试, 实验室中甲烷浓度波动为±40 nL/L, 乙烷波动为±2 nL/L, 车载过程甲烷浓度波动为+40至-80 nL/L, 乙烷波动为±4 nL/L。为验证传感器性能, 与美国Aeries公司的商用传感器结果做了对比, 二者呈现较好的一致性。最后, 给出了车载传感器系统在某条线路上的甲烷、乙烷浓度移动探测结果, 以及某小区甲烷、乙烷浓度的二维分布测绘结果, 分析了二种烷烃气体的变化关系。本文所开展的工作为探测烷烃气体泄漏并监测大气质量提供了技术保障。
红外光谱学 中红外激光器 气体检测仪 移动探测 infrared spectroscopy mid-infrared laser gas detector in-motion monitoring
1 太原科技大学应用科学学院, 山西 太原 030024
2 西南科技大学理学院, 四川 绵阳 621010
基于可调谐半导体激光吸收光谱技术,研制了一套近红外波段的乙炔(C2H2)气体检测系统,该装置采用波长调制-多光程吸收光谱技术,提高了系统的检测灵敏度;为了优化系统测量条件,在压强范围为5.3~12.0 kPa和调制幅度为0.010~0.035 V条件下,测量了体积分数为5×10
-5的C2H2标准气体的光谱信号,并测量了不同浓度的C2H2在总压强为10.7 kPa时的二次谐波信号;为了进一步验证系统的稳定性,采集60 s的光谱信号,通过Allan方差分析获得了系统的最佳探测时间和探测极限。结果表明:压强为10.7 kPa且调制幅度为0.030 V时的二次谐波信号强度最大;C2H2气体浓度与二次谐波幅值呈良好的线性关系,并且C2H2体积分数为1×10
-6~5×10
-5时的测量误差较小,小于±2%;该实验系统的最佳探测时间为7.2 s,探测极限为2.8×10
-11;该仪器采用基于嵌入式系统设计的激光器驱动和数字锁相放大器,具有结构简单、体积小、便于集成等特点,适用于工业现场和气体运输等方面。
光谱学 C2H2气体检测仪 可调谐半导体激光吸收光谱 波长调制-多光程吸收技术 检测灵敏度 小型化 激光与光电子学进展
2018, 55(3): 033002
1 汕头大学 工学院, 广东 汕头 515063
2 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
报道了一种采用中红外室温连续带间级联激光器(ICL)的高精度大气甲烷检测系统.使用的ICL激光器的发光波数范围为2 998.4~2 999.6 cm-1, 覆盖甲烷在2 999.06 cm-1处的较强吸收峰.为增强气体吸收, 采用容积为220 mL、吸收光程为54.6 m多通池作为气体吸收池.采用LabVIEW平台和数据采集卡, 产生激光器扫描及调制信号, 同时获取探测器信号并采用数字运算提取二次谐波.实验结果显示, 当传感器系统的平均采样时间为3.3 s时, 传感器系统的阿伦方差为11.2 ppbv.采用该系统对实验室内外空气中甲烷浓度进行了长时间的测量, 证实该传感器系统具有较强的工程实用价值.
红外光谱学 可调谐半导体激光器 气体检测仪 甲烷检测 Infraed spectroscopy Tunable diode laser Gas detection Methane measurement 光子学报
2017, 46(11): 1128003
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
利用二氧化碳气体分子在4.25 μｍ处的基频吸收带，研制了一种差分式中红外二氧化碳检测系统.系统的光路部分由热辐射红外光源、双通道热释电探测器和球面反射镜构成，电路部分主要包括信号处理、光源驱动及主控模块.采用Tracepro软件对气室结构进行仿真和优化设计，使气体吸收光程达到30 cm，改善了系统的性能.实验研究了系统对不同浓度二氧化碳气体样品的传感特性.实验结果表明，由拟合曲线得到的浓度与实际浓度误差较小，在0~5 000 ppm范围内，测得二氧化碳浓度的标准差小于45 ppm，而在500 ppm以下，测量浓度的标准差小于5 ppm；对浓度为0 ppm的二氧化碳气体样品连续测量2h，测量结果的标准差约为2.8 ppm；根据Allan方差分析得到系统的1σ检测下限为2.5 ppm.在每个二氧化碳传感器上增加无线模块nRF24L01，构成传感器节点，在选定的日光温室大棚中构建了无线传感器网络，采集了温室大棚中的二氧化碳浓度信息，验证了所研制的传感器性能.
光电子学 红外吸收光谱 气体检测仪 二氧化碳 无线传感器网络 温室大棚 Optoelectronics Infrared absorption spectroscopy Gas detector Carbon dioxide Wireless sensor network Greenhouse
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 中国科学院半导体所 材料科学重点实验室，北京 100083
利用可调谐二极管激光吸收光谱技术检测气体浓度时，为了从红外传感信号中提取一次及二次谐波信号来表征气体浓度，研发了一种基于数字信号处理器的数字正交锁相放大器.介绍正交锁相放大原理，设计谐波提取算法，给出数字正交锁相放大器的软硬件实现方案.利用配备的浓度为1%~5%的甲烷样品以及研制的锁相放大器，开展气体实验.实验结果显示，当甲烷浓度为5%时，在二次谐波对应的频率点处，测得的系统信噪比为34 dB，表明设计的锁相放大器具有较好的性能；测得的二次与一次谐波信号峰峰值的比值与气体浓度成线性关系；考虑动态配气以及气体沿管道传输的时间，检测系统的响应时间约为96~98 s；气体浓度为20 000 ppm时，测试浓度波动范围为-92 ppm ~ +118 ppm；根据Allan方差预测的系统检测下限为29.52 ppm.与模拟锁相放大器以及商用锁相放大器相比，本文研制的数字正交锁相放大器硬件结构简单、体积小、成本低、易于集成，在红外气体检测领域具有很好的应用前景.
光电子学 红外光谱学 气体检测仪 红外吸收 数字锁相放大器 谐波分析 数字信号处理器 Optoelectronics Infrared spectroscopy Gas detectors Infrared absorption Digital lock-in amplifier Harmonic analysis Digital signal processors
