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基于离轴积分腔输出光谱技术的二氧化碳测量 被引量：1
1
作者 卢俊城 高璐 +4 位作者 吴琼 刘雯 梁荫杰 陈达如 邵杰 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第8期122-129,共8页
利用1.573μm的分布反馈式二极管激光器作为光源,搭建了一套基于离轴积分腔输出光谱(ICOS)的二氧化碳(CO_(2))气体检测装置。选取CO_(2)在6358.65 cm^(-1)处,线强为1.732×10^(-2)3cm^(-1)/(molecule·cm^(-2))的吸收谱线,测量... 利用1.573μm的分布反馈式二极管激光器作为光源,搭建了一套基于离轴积分腔输出光谱(ICOS)的二氧化碳(CO_(2))气体检测装置。选取CO_(2)在6358.65 cm^(-1)处,线强为1.732×10^(-2)3cm^(-1)/(molecule·cm^(-2))的吸收谱线,测量了密封腔体内400×10^(-6)的CO_(2)直接吸收信号。实验结果表明在镜片反射率为99.98%和60 cm腔长内,实现了2.4 km的有效光程,系统的线性度为0.996。通过长时间测量密封腔体内的CO_(2)直接吸收信号,根据Allan曲线分析得到系统最佳积分时间为98.3 s,最小可探测极限为0.63×10^(-6)。最后,实验室环境测试实验结果表明室内CO_(2)浓度值变化符合实验室人员活动作息规律,验证了测量装置的可靠性和稳定性,同时为室内CO_(2)排放管理提供实用的科学依据。 展开更多
关键词 离轴积分腔输出光谱 直接吸收 气体检测 二氧化碳 红外吸收光谱
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白噪声扰动在波长调制离轴积分腔输出光谱技术中的应用研究 被引量：3
2
作者 王静静 董洋 +5 位作者 田兴 陈家金 谈图 朱公栋 梅教旭 高晓明 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第9期2657-2663,共7页
离轴积分腔输出光谱技术是痕量气体检测的重要方法,这种测量方法的检测限容易受到残余腔模式噪声和背景噪声的影响。通过注入射频白噪声到激光器的调制电流中,以减小离轴积分腔输出光谱中的残余腔模式噪声,同时利用波长调制技术抑制了... 离轴积分腔输出光谱技术是痕量气体检测的重要方法,这种测量方法的检测限容易受到残余腔模式噪声和背景噪声的影响。通过注入射频白噪声到激光器的调制电流中,以减小离轴积分腔输出光谱中的残余腔模式噪声,同时利用波长调制技术抑制了背景信号的影响,进一步提高了基于离轴积分腔输出光谱技术的甲烷传感系统的信噪比。首先,详细研究了不同功率射频白噪声对空气中甲烷吸收光谱的影响,并对吸收谱的线宽进行了分析,计算出了不同功率噪声扰动下的吸收谱对应的最佳调制幅度。随后,研究了不同功率的射频白噪声对2f信号的影响。结果表明,随着扰动噪声功率的增加,基线噪声水平和2f信号幅值同时减小。对几组2f信号的信噪比进行分析,确定了射频白噪声提高系统信噪比的最佳功率为-25 dBm。最后,研究了0.05~2.2×10^-6浓度范围内,甲烷浓度与2f信号之间的对应关系,结果表明:在甲烷浓度小于1.0×10^-6时,甲烷浓度与2f信号之间的线性度为0.999 6;在甲烷浓度为0.1~2.2×10^-6时,甲烷浓度与2f信号之间呈曲线关系,二阶多项式拟合的相关度为0.999 89。此外,对浓度为2.2×10^-6的甲烷气体进行了长时间的测量,并利用Allan方差对系统的稳定性进行了分析,分析结果表明系统的最佳积分时间为1 250 s,系统的可探测极限约为1.2×10^-9。最后,使用建立的甲烷气体探测系统,对大气环境中的甲烷气体浓度进行了长达两个昼夜的检测,结果显示甲烷浓度的昼夜变化规律是昼降夜升,浓度昼夜波动范围在2.02~2.3×10^-6范围内,平均浓度为2.14×10^-6。本研究为离轴积分腔输出光谱技术在痕量气体测量方面的应用提供了一定的参考,对高精密的原位痕量气体测量仪器的研发具有重要的指导价值。 展开更多
关键词 离轴积分腔输出光谱 波长调制 射频白噪声 腔模噪声 检测极限
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基于离轴积分腔输出光谱的燃烧场CO浓度测量研究
3
作者 娄登程 饶伟 +3 位作者 宋俊玲 王凯 姜雅晶 郭建宇 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第12期3678-3684,共7页
CO是碳氢燃料不完全燃烧的重要产物,常常被作为反应燃烧效率的标志物,燃烧场CO组分浓度的精确测量对提高燃烧效率、减少污染物排放具有重要意义。离轴积分腔输出光谱(OA-ICOS)是一种利用物质对激光的特异性吸收,实现对该物质分析和测量... CO是碳氢燃料不完全燃烧的重要产物,常常被作为反应燃烧效率的标志物,燃烧场CO组分浓度的精确测量对提高燃烧效率、减少污染物排放具有重要意义。离轴积分腔输出光谱(OA-ICOS)是一种利用物质对激光的特异性吸收,实现对该物质分析和测量的技术,具有非接触、稳定和高灵敏度等优点。针对燃烧场CO浓度低,背景信号干扰强等特点,采用分布反馈式(DFB)激光器搭建基于离轴积分腔输出光谱的CO浓度测量系统,通过直接吸收光谱的测量方法实现对高温燃烧场CO浓度测量。利用仿真模拟的方法,在所用激光器中心波长的附近选出了常温下谱线强度较为突出,高温下不受其他燃烧产物干扰的第一泛频带R(10)吸收谱线。通过固定光程池对比吸光度的方法标定了OA-ICOS系统的有效光程;通过比较不同扫描频率下吸收谱线的信噪比和线型拟合残差标准差,得到最佳波长扫描频率;通过测量不同浓度CO混合气体的吸收信号分析了系统误差。探究了不同燃烧情况下CH_(4)/Air预混平焰炉上CO的产生情况,根据燃烧场测量区域温度分布情况描述了温度分布不确定度对CO测量结果的影响。当量比为1.0时,在10 ms的测量时间分辨率下,噪声等效灵敏度(NEAS)为3.67×10^(-7)cm^(-1)·Hz^(-1),系统测量误差小于4.5%,燃烧场测量区域温度分布不确定度带来的CO浓度测量不确定度为5.6%。改变当量比从0.8到1.2时,得到平均温度变化范围为1275~1368 K,CO浓度变化范围为0.041%~1.57%。研究发现随着当量比的提高,燃烧场温度和CO浓度均呈上升趋势。实验结果表明将离轴积分腔输出光谱技术应用于燃烧场气体参数测量具有信噪比高、检测灵敏度高等优点,可以实现痕量气体组分浓度的精确测量。 展开更多
关键词 离轴积分腔输出光谱 浓度测量 一氧化碳测量 燃烧流场
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离轴积分腔增强红外激光二氧化碳传感系统 被引量：6
4
作者 刘梓迪 郑凯元 +2 位作者 张海鹏 郑传涛 王一丁 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第11期181-189,共9页
基于离轴积分腔输出光谱技术,设计并研制了一种红外二氧化碳(CO2)传感系统.采用中心波长为1572 nm的分布式反馈激光器,选择6359.96 cm-1处CO2的吸收谱线作为目标谱线.研制的谐振腔长度为60 cm,测得的有效光程为1200 m.采用波长调制光谱... 基于离轴积分腔输出光谱技术,设计并研制了一种红外二氧化碳(CO2)传感系统.采用中心波长为1572 nm的分布式反馈激光器,选择6359.96 cm-1处CO2的吸收谱线作为目标谱线.研制的谐振腔长度为60 cm,测得的有效光程为1200 m.采用波长调制光谱技术与直接吸收光谱技术分别测量CO2的吸收光谱,前者测得的光谱信号的信噪比为130,优于后者的信噪比80.将波长调制光谱技术与离轴积分腔技术相结合,利用LabVIEW软件提取二次谐波信号的幅值.利用配备的气体样品,开展了传感器标定、稳定性及动态响应性能测试等实验.使用纯氮气(N2)进行了稳定性测试,艾伦方差表明,当平均时间为96 s时,系统的检测下限为5.1×10-6;当气体流速为500 sccm时,实验测得的响应时间小于20 s.利用该系统开展了连续16.5 h的大气CO2浓度在线实时监测和人呼出气体中的CO2含量检测,均呈现出较好的性能.该系统具有易操作、响应快、灵敏度高等优点,未来可广泛应用于大气环境检测、医疗诊断等方面. 展开更多
关键词 气体传感器 红外吸收光谱 离轴积分腔输出光谱技术 波长调制技术 CO2检测
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基于腔增强激光光谱的水中溶解甲烷传感系统 被引量：5
5
作者 陈稳稳 郑凯元 +3 位作者 曹延伟 陈奕汐 郑传涛 王一丁 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第9期168-176,共9页
为探测水中甲烷气体浓度,研制了一种基于离轴积分腔输出光谱的水中溶解甲烷传感系统。系统由分布式反馈激光器(中心波长为1653 nm)、激光器温度控制模块、激光器电流驱动模块、谐振腔/气室、光电探测器、数据采集模块、数据处理模块和... 为探测水中甲烷气体浓度,研制了一种基于离轴积分腔输出光谱的水中溶解甲烷传感系统。系统由分布式反馈激光器(中心波长为1653 nm)、激光器温度控制模块、激光器电流驱动模块、谐振腔/气室、光电探测器、数据采集模块、数据处理模块和气液分离模块构成。利用配备的甲烷气体样品和纯氮气(N2),分别开展系统有效光程标定、直接吸收光谱信号的标定和稳定性测试等实验。使用浓度为10×10^(-6)的甲烷气体样品标定了系统有效光程,约为1906 m。将纯氮气作为目标气体,测量系统的稳定性。Allan方差分析结果表明,当积分时间为2 s时,系统检测灵敏度为92.8×10^(-9),当积分时间增加到134 s,系统的灵敏度可提高到13.2×10^(-9)。利用该系统开展自来水、雨水和湖水样品中溶解甲烷的浓度检测实验,结果证实了该技术及系统的工程实用价值。该研究及相关结果为水质检测和天然气水合物等清洁能源的勘探开发奠定了良好的基础。 展开更多
关键词 气体传感器 红外吸收光谱 离轴积分腔输出光谱技术 直接吸收光谱技术 甲烷检测
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氨气高精度激光光谱检测装置的设计及实现 被引量：3
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作者 杨天悦 宫廷 +6 位作者 郭古青 孙小聪 田亚莉 邱选兵 何秋生 高晓明 李传亮 《中国光学（中英文）》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第5期1129-1136,共8页
氨气排放会对环境以及人体健康造成危害,因此对环境中氨气浓度的高精度监测显得尤为重要。本文基于具有高灵敏度、高响应速度等优点的离轴积分腔输出光谱技术(OA-ICOS)对氨气高精度检测装置进行设计。使用基长30 cm装有反射率为99.99%... 氨气排放会对环境以及人体健康造成危害,因此对环境中氨气浓度的高精度监测显得尤为重要。本文基于具有高灵敏度、高响应速度等优点的离轴积分腔输出光谱技术(OA-ICOS)对氨气高精度检测装置进行设计。使用基长30 cm装有反射率为99.99%的高反镜的光学谐振腔作为气体吸收池,实现了近3000 m的光程,将中心波长为1528 nm的分布反馈式激光器(DFB)调谐至6548.611 cm^(−1)和6548.798 cm^(−1)附近,在常温18.6 kPa的气压下对1×10^(−5)~5×10^(−5)范围内NH3进行了检测。测量结果表明NH3浓度与信号幅值的线性拟合度R2可达0.99979。使用Allan方差对实验数据进行分析得到13 s后系统的平均检测极限为9.8×10^(−9),在103 s时系统的最低检测极限可达7×10^(−9)(S/N~1)。实验结果表明,该检测装置具有良好的稳定性与高灵敏度,满足对氨气高精度检测的需求,本文研究为国内自主研发痕量气体高精度检测设备提供了技术经验。 展开更多
关键词 离轴积分腔输出光谱 氨气 高精度检测
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1.531μm附近NH_3分子痕量探测 被引量：1
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作者 贾慧 郭晓勇 +5 位作者 蔡廷栋 赵卫雄 汪磊 谈图 张为俊 高晓明 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2009年第12期3173-3176,共4页
基于离轴积分腔输出光谱技术(OA-ICOS)的小型集成系统以工作在近红外1.531μm附近的分布反馈式(DFB)二极管激光器为光源,测量了室温下各种低浓度NH3与空气的混合气。首先利用标准浓度的CO2气体校准得到腔镜的有效反射率R为0.9969,在此... 基于离轴积分腔输出光谱技术(OA-ICOS)的小型集成系统以工作在近红外1.531μm附近的分布反馈式(DFB)二极管激光器为光源,测量了室温下各种低浓度NH3与空气的混合气。首先利用标准浓度的CO2气体校准得到腔镜的有效反射率R为0.9969,在此条件下,基长35.8cm的光学谐振腔作为吸收池可得到115.46m的吸收光程。NH3在6528.764cm-1位置的强吸收谱线被选择用于痕量探测,在100torr的总压力下,实验测得NH3的探测极限为2.66ppmv(S/N～3),之后结合波长调制技术,在信号检测通路中采用锁相放大技术来实现调制信号的二次谐波检测,这可以更好地抑制背景噪声而提高探测信号的信噪比,最终将NH3的探测极限进一步提高到0.274ppmv(S/N～3)。 展开更多
关键词 离轴积分腔输出光谱技术 波长调制 二次谐波 NH3 探测极限
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国产高精度温室气体分析仪性能评估 被引量：2
8
作者 卿雪梅 臧昆鹏 +7 位作者 林溢 陈圆圆 邱珊珊 熊浩宇 李嘉鑫 蒋凯 洪海祥 方双喜 《环境化学》 CAS CSCD 北大核心 2022年第12期4087-4096,共10页
在国家碳中和战略实施背景下,我国将大范围开展温室气体高精度监测,而目前国内温室气体高精度分析仪几乎完全依赖进口.本研究针对国产GGA-311型高精度温室气体分析仪开展综合性能评估研究.结果显示,该分析仪对CO_(2)和CH_(4)的分析精密... 在国家碳中和战略实施背景下,我国将大范围开展温室气体高精度监测,而目前国内温室气体高精度分析仪几乎完全依赖进口.本研究针对国产GGA-311型高精度温室气体分析仪开展综合性能评估研究.结果显示,该分析仪对CO_(2)和CH_(4)的分析精密度分别达0.15×10^(−6)(物质的量比)和1.2×10^(−9),达到WMO/GAW实验室间比对分析质控标准的扩展目标(CO_(2):±0.2×10^(−6);CH_(4):±4.0×10^(−9));其线性拟合相关系数(R^(2))分别为0.999993和0.99996.实验室和青海瓦里关全球大气本底站比对测试结果显示,该分析仪与进口Picarro G-2401型分析仪均能较好地捕捉本底CO_(2)和CH_(4)变化特征,但受水汽等因素影响,两套系统CO_(2)和CH_(4)偏差分别处于±0.2×10^(−6)和±4.0×10^(−9)范围内的数据占总数据的51.79%和79.76%,因此国产高精度温室气体分析仪在应用过程中,必须针对样气进行严格干燥,方能保证观测结果的可靠性. 展开更多
关键词 二氧化碳 甲烷 离轴积分腔输出光谱 波长扫描光腔衰荡光谱 观测
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