1 南宁学院机电与质量技术工程学院, 广西 南宁 530200
2 桂林理工大学信息科学与工程学院, 广西 桂林 541006
为进一步提高甲烷浓度检测精度, 搭建了基于 TDLAS(tunable diode laser absorption spectroscopy)技术的甲烷浓度检测实验系统, 利用甲烷在波长 1653.72 nm处吸收强度很高且可以最大限度消除其他气体干扰的特性, 通过提取二次谐波信号实现甲烷浓度检测。然后分别采用 heursure硬阈值算法、heursure软阈值算法和 sqtwolog固定阈值算法作为小波变换阈值算法, 通过分析未去噪及小波变换去噪处理后得到的甲烷吸收信号谱图、甲烷二次谐波信号谱图、甲烷吸收信号的信噪比和均方根误差, 优选 sqtwolog固定阈值算法作为小波变换阈值算法。不同浓度的甲烷标气线性拟合实验及特定浓度的甲烷标气重复性实验结果表明: 通过小波变换(采用 sqtwolog固定阈值算法)能有效降低噪声干扰, 去噪处理后提取的二次谐波信号与甲烷真实浓度拟合优度 R2为 0.984, 拟合效果更佳。采用 TDLAS技术结合小波变换去噪算法, 实现甲烷浓度检测的同时也能提高甲烷浓度检测精度。
甲烷浓度检测 TDLAS技术 二次谐波信号 小波变换阈值算法 去噪处理 detection of methane concentration, TDLAS technolo
1 上海师范大学 信息与机电工程学院，上海 200234
2 清华大学 材料学院，北京 100084
3 无锡市好达电子股份有限公司，江苏 无锡 214124
射频前端的高度集成和高能量密度使声表面波(SAW)器件的非线性问题愈发严重。该文搭建了射频SAW器件非线性信号的测量系统，对SAW谐振器的二次谐波(H2)和三次谐波(H3)信号进行了准确测量。分析测量结果，讨论了非线性谐波信号的产生机制，并通过非线性有限元(FEM)模型仿真结果与测量结果拟合对比，验证了介电非线性和声应变的非线性效应对谐波产生的影响，为进一步研究非线性抑制方法，设计高线性度SAW器件提供了重要支撑。
声表面波(SAW)器件 非线性 测量系统 谐波信号 产生机制 surface acoustic wave (SAW) device nonlinearity measurement system harmonic signals generation mechanism
1 广东电网有限责任公司广州供电局，广东 广州 510620
2 中国南方电网公司中低压电气设备质量检验测试重点实验室，广东 广州 510620
针对波长调制光谱技术中二次谐波背景信号漂移的问题，将背景信号历史数据中与实测二次谐波信号相似的信号作为背景信号，提出了一种气体体积分数反演方法。首先，选用中心波长在5.18 μm附近的激光器，搭建了NO体积分数测量系统，并将48 h内测量的纯N2背景信号作为历史数据构建背景信号库。然后，在系统中通入NO，得到经过吸收的二次谐波信号并计算其与背景信号库中各背景信号的相关系数。最后，扣除最大相关系数下的背景信号后反演气体的体积分数。对体积分数为2.5×10-6的NO进行了24 h的监测，结果表明，该方法可将平均相对误差从修正前的6.48%提高到3.84%。
光谱学 可调谐二极管激光吸收光谱 二次谐波信号漂移 Pearson相关系数 激光与光电子学进展
2022, 59(13): 1330003
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 红外与激光工程
2021, 50(10): 20200457
1 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环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
基于可调谐半导体吸收光谱的波长调制技术,建立了精确的吸收模型。通过两条已知吸收中心的吸收谱线,对标准具自由光谱范围进行标定,并利用更贴近激光器出光特性的描述模型,得到激光器频率-时间响应,结合实验室标定和HITEMP数据库的杂合吸收谱线参数,建立了可与实际吸收直接比较的精确模型,以诊断燃烧流场。本研究以H2O为目标分子,选取吸收中心为7185.60 cm
-1和6807.83 cm
-1两条吸收线,利用扣除背景的归一化二次谐波信号峰值反演流场温度,并在管式高温炉上进行实验验证,最高测量温度为1500 K,相对误差小于3.1%。吸收模型的准确性决定了所测流场参数的准确性,该模型可应用到更为复杂的燃烧流场环境,实现流场参数的精确测量。
光谱学 吸收模型 波长调制 燃烧流场 谐波信号
可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)技术是一种具有高灵敏度、高分辨率的气体吸收光谱检测技术, 具有响应快、精度高、单模特性优秀、通用性强等优势。TDLAS直接吸收法通过测量绝对吸收强度来计算待测气体温度和浓度, 但容易受到颗粒物浓度、激光强度波动等影响。TDLAS波长调制法采用高频正弦信号对激光器进行调制, 使得激光输出频率和强度同时受到调制, 具有高信噪比和灵敏度的特点, 但是需要通过标定实验或复杂的算法来确定气体参数。因此, 通过吸收光谱理论和波长调制理论, 推导出蕴含分子吸收信息的谐波通项表达式, 并在此基础上分析谐波信号与待测气体绝对吸收强度之间的关系, 建立了一种基于谐波信号的绝对吸收强度测量算法。以NH3分子在1 531 nm附近的谱线为例进行数值分析, 发现调制幅度达到a=0.032 cm-1(调制系数m=2)时, 仿真结果与理论计算结果(a=0)相对误差不超过2%, 进一步验证了算法的可靠性与准确性。
TDLAS 气体检测 谐波信号 数值模拟 TDLAS gas detection harmonic signal numerical simulation 红外与激光工程
2019, 48(5): 0517007
1 中国科学院 安徽光学精密机械研究所 安徽光子器件与材料省级重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院 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
3 中国科学技术大学 环境科学与光电工程学院, 安徽 合肥 230026
4 台湾云林科技大学 环境与卫生安全工程系, 台湾 云林 64002
鉴于常规的标识性气体监测方法在响应速度、测量精度、使用寿命、实时性、监测目标种类、测量范围和应用场合等方面相比激光吸收光谱技术存在不足, 本文以可调谐半导体激光吸收光谱技术为依托, 选取合适的无干扰激光吸收谱线, 阐述了工业管道抽取式、管道原位在线对射式、扩散探头式(全量程激光监测一体机形式与多点无源传感器探头形式)、无组织排放开放光路式等多种形式的监测方法。上述系统的测量结果显示: 抽取式可实现CO、CO2、O2等不同多组分气体的同时测量; 管道对射式实现了O2及10 μL/L以下CO的高精度在线测量; 探头式则以CH4测量为例实现了响应时间T90=15 s, 监测极限小于150 μL/L, 泄漏报警准确率达100%; 开放光路形式以天然气集气站场测量CH4、C2H2、C2H4三种气体为例实现了0误报的监测能力。上述分析结果表明, TDLAS技术应用于工矿安全生产及安全预警方面的标识性气体监测是完全实用、有效、准确、可靠的。
可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS) 工业生产过程 安全预警 标识性气体 直接吸收信号 谐波信号 Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS industrial production process safety early warning marking gases direct absorption signal harmonic signal
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 安徽省光子器件与材料重点实验室, 合肥 230031
2 中国科学技术大学 环境科学与光电技术学院, 合肥 230026
为获得较好的谐波信号, 完成不同测量目的, 以DFB-760.77 nm波长处氧气监测为例, 通过改变扫描锯齿信号和调制正弦信号的频率和幅值, 讨论了调制参量对二次谐波信号峰-峰值、对称性、谐波信号展宽和信号完整性等判别依据的影响和变化.结果表明: Sinmulink模拟值和实验值相关性较高, 当正弦调制信号和锯齿扫描信号频率比值为1 000倍时,可以获得较好的二次谐波信号.该研究为实验系统中调制参量的选取和调制度及系统准确度、稳定性、重复性等性能的优化提供了一定帮助.
可调谐半导体激光吸收光谱技术 调制参量 扫描锯齿波信号 调制正弦波信号 谐波信号 Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS Modulation parameters Scanning sawtooth signal Modulated sinusoidal signal Harmonic signal
