可调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术因其高灵敏度、 高选择性和快速响应的特点, 被广泛应用于痕量气体的检测与燃烧诊断研究。 基于谐波检测的波长调制光谱(WMS)方法具有高信噪比的优势, 是最常用的TDLAS气体传感方法之一。 近年来, 为了扩展WMS方法的适用范围, 减小光谱参数标定误差, 针对WMS方法免标定策略的研究逐渐成为热点。 传统的免标定WMS方法一般需要根据光谱数据库并结合激光调制参数进行复杂的吸收光谱模拟, 对先验光谱参数的准确度和硬件参数提出了很高的要求。 针对以上问题, 提出了一种基于二次-四次谐波联用的免标定波长调制激光吸收光谱方法, 可以实现气体参数的快速、 精确测量。 与传统免标定WMS方法相比, 新方法有以下特点和优势: (1)新方法基于Voigt线型导出, 可以适应于任意展宽条件下的测量; (2)新方法只需要利用二次谐波和四次谐波中心峰高参数的代数计算即可获得吸收谱线展宽、 积分吸收面积等关键光谱参数, 进而实现浓度、 温度等气体参数的测量; (3)新方法不需要进行运算量较大的谐波拟合以及高次谐波计算, 降低了对硬件系统的要求; (4)因为不需要扫描完整的吸收谱线形状, 解决了传统方法在高温高压下由于吸收谱线展宽变大而导致的谐波信号不完整问题; (5)新方法只需要利用光谱数据库中的吸收谱线强度和低状态能量等光谱参数, 而不需要利用自展宽系数、 温度指数、 其他组分碰撞展宽系数等先验参数, 降低了对光谱数据库的依赖性。 为了验证新方法的可行性, 在实验室环境搭建WMS测量系统, 选择CH4分子在6 046.95 cm-1附近的吸收谱线, 并利用二次与四次谐波峰值进行室温下CH4摩尔分数的测量实验。 实验结果表明, 在20 cm吸收光程长下, CH4摩尔分数测量的相对误差为1.19%, 系统的探测极限为4.28×10-6。

提出一种基于二次谐波峰高-峰宽特征的免标定波长调制光谱方法，并给出任意调制系数下，考虑Voigt线型的光谱吸收率二次谐波峰高-峰宽解析表达式。与传统的谐波波形拟合方法相比，所提方法只需要进行一次滤波处理，对计算资源要求更低；不需要利用HITRAN 2020数据库中的碰撞加宽系数、温度依赖指数等光谱参数，理论上更加适用于复杂气体组分下的测量。在实验室搭建WMS测量系统开展室温下CH₄摩尔分数的测量实验，实验结果表明，在20 cm光程下，当CH₄摩尔分数大于2.08×10^-3时，所提方法的测量相对偏差小于2%。

为了实现对甲烷和二氧化碳双气体一体化测量,设计了以两个窄带中红外发光二极管(LED)作为甲烷和二氧化碳测量光源、以两个光电二极管(PD)作为探测器敏感元件的双LED-PD光学测量结构,研制了中红外甲烷二氧化碳双气体传感系统。对谱线及光学器件的选择、双LED光源脉冲电流调制、温度补偿算法进行了研究。根据甲烷和二氧化碳气体的红外线吸收光谱特征进行光学测量结构的设计,利用LED器件高速响应特性完成双光源脉冲电流调制时序算法,即采用窄脉冲模式进行电流驱动。在温度实验分析的基础上,采用中值归一数据预处理得到温度影响因子,然后对温度影响因子进行线性拟合得出温度补偿算法。实验结果表明:传感系统的平均功耗低至38.3 mW;甲烷测量误差最小为0.06%(体积分数),二氧化碳测量误差最小为0.05%(体积分数),可满足煤矿中甲烷和二氧化碳双气体浓度低功耗、稳定可靠实时测量的要求。

为了提高复杂环境中甲烷气体探测的适用性,选择空芯带隙型光子晶体光纤(单端镀全反膜)作为光学气室,实现了置入式同源甲烷浓度的探测。采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术,结合长度为0.5 m的空芯带隙型光子晶体光纤,实现了甲烷气体的在线测量,系统的检测下限可达到1.92×10 -5,稳定性波动小于±2.18%。单端全反射设计配合同源探测方式使复杂环境中的甲烷浓度的置入式探测成为可能,为单光源分布式探测提供了研究基础。

利用甲烷(CH4)气体分子在16 μm的吸收特性, 使用中心波数为6 04696 cm-1的蝶形分布反馈式(DFB)激光器和自制的大内径光声池, 设计了一款紧凑高灵敏的CH4气体传感器。 为了进一步增强输出光声信号强度, 一个具有高反射率的平面镜放置在光声池后, 使透射光束被反射后, 二次通过光声池, 增强了光与被测气体的作用距离, 使光声信号提高了19倍。 传感器各项参数, 包括调制频率、 调制深度及气体流速被优化。 在标准大气压和1 s的积分时间下, 该传感器最终获得的探测灵敏度为021 ppm, 1σ归一化等效噪声系数(NNEA)为21×10-8 cm-1·W·Hz-1/2。 该甲烷传感器使用性价比高的DFB近红外激光二极管作为激发光源, 装置简单, 成本低廉可以满足大气环境检测、 矿井瓦斯监测、 工业过程控制及无创伤医疗诊断等领域的需求。

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。