可调谐激光吸收光谱法与气相色谱法监测甲烷的对比研究
可调谐激光遥测甲烷浓度的研究

可调谐激光遥测甲烷浓度的研究
张瑞峰;王晓洋
【期刊名称】《电子测量技术》
【年(卷),期】2011(34)6
【摘要】介绍了1种基于光谱吸收技术实现遥测矿井瓦斯浓度的测量系统。
方案主要采用了波长调制光谱技术和二次谐波检测技术。
通过理论分析,激光的中心波长设定为1 654 nm,把激光频率锁定在甲烷气体的强吸收带,发射的激光透射过被测气体区域,经目标物体反射至透镜,然后由系统接收。
为了克服激光光强受背景气体、粉尘等因素所造成的衰减,以至于影响测量精度,方案对一次谐波和二次谐波比值与探测浓度的关系做了理论研究,应用1种通过检测反射回来的光信号的一次谐波和二次谐波分量就能最终确定甲烷气体的浓度的方法。
探测系统的最低探测浓度为0.071 4 mg/m3,最远探测距离为10 m。
【总页数】5页(P76-79)
【关键词】激光;遥感监测;吸收光谱技术(TDLAS);波长调制频谱;甲烷
【作者】张瑞峰;王晓洋
【作者单位】天津大学电子信息工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】O433.1
【相关文献】
1.基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的甲烷遥测方法的研究 [J], 姜治深;王飞;许婷;邢大伟;姚华;严建华;岑可法
2.基于可调谐二极管激光吸收光谱遥测CH4浓度 [J], 汪世美;刘文清;刘建国;涂兴华;杨立书
3.基于可调谐半导体激光器吸收光谱的高灵敏度甲烷浓度遥测技术 [J], 丁武文;孙利群;衣路英
4.可调谐二极管激光吸收光谱技术在甲烷气体浓度检测中的应用 [J], 张俊有;章祝云;赵玉斌
5.可调谐激光吸收光谱学检测甲烷浓度的新方案研究 [J], 曹家年;张可可;王琢因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
基于TDLAS的甲烷气体监测系统的研究的开题报告

基于TDLAS的甲烷气体监测系统的研究的开题报告一、研究背景甲烷是一种重要的温室气体,它可以导致全球气候变化和环境污染。
甲烷气体监测对于环境保护和气候变化研究具有重要意义。
传统的甲烷气体监测方法主要基于化学传感器和红外线传感器,但它们的测量精度和灵敏度有限。
激光吸收光谱技术(TDLAS)作为一种高精度、高灵敏度、无毒污染的测量方法已经在气体监测领域得到广泛应用。
因此,基于TDLAS的甲烷气体监测系统的研究具有很高的研究价值和应用前景。
二、研究内容本研究旨在设计、制作和测试一种基于TDLAS的甲烷气体监测系统。
具体包括以下研究内容:1. 设计和制造TDLAS光路系统;2. 选择合适的激光光源和探测器;3. 编写控制软件,并对系统进行数据采集和处理;4. 进行系统测试和数据分析。
三、研究目标和意义本研究的目标是开发出高精度、高灵敏度、可靠性高的基于TDLAS的甲烷气体监测系统。
通过对系统精度和稳定性的测试,验证系统性能和应用价值,为环境监测和气候变化研究提供一种新的、有效的监测手段。
四、研究方法1. 系统设计和制作:根据TDLAS原理,设计和制作光路系统,选用合适的激光光源和探测器。
2. 数据采集和处理:编写控制软件,实现数据采集和处理,包括数据校准、滤波和分析。
3. 系统测试和数据分析:对系统进行性能测试和数据分析,计算系统的灵敏度、稳定性和精度等参数。
五、研究预期结果本研究预期将开发出一种基于TDLAS的甲烷气体监测系统,并通过实验测试验证系统的性能和应用价值。
该系统预计具有以下优点:1. 高精度、高灵敏度:采用TDLAS技术实现非常高的测量精度和灵敏度。
2. 无毒污染、环保:系统采用激光技术,无需使用化学试剂,无毒污染,环保。
3. 可重复性高:系统采用数字控制,测量结果准确可靠,可以进行高精度、高可重复性的数据采集。
六、研究进度安排研究内容包括系统设计和制作、数据采集和处理、系统测试和数据分析。
基于光谱吸收法的甲烷气体传感器的研究的开题报告

基于光谱吸收法的甲烷气体传感器的研究的开题报告一、研究背景和意义甲烷是一种重要的温室气体,对全球气候变化有重要影响。
此外,甲烷还是一种常见的燃料气体,广泛应用于能源生产,如天然气、煤层气等,但甲烷泄漏会带来严重的安全和环境问题。
因此,研究一种高灵敏、高精度、快速响应的甲烷气体传感器对于环保和工业生产具有重要意义。
目前,常规的甲烷气体传感器包括半导体气敏传感器、膜法传感器、纳米材料传感器等,但这些传感器存在着灵敏度低、响应慢、易受干扰等问题。
而光谱吸收法可以实现对甲烷气体的高精度检测,其原理是利用甲烷分子在特定波长的光线下对光线进行吸收,从而实现浓度的测量。
因此,基于光谱吸收法的甲烷气体传感器具有较高的灵敏度和准确性。
二、研究内容和方案本研究旨在设计并制作一种基于光谱吸收法的甲烷气体传感器,主要内容包括以下几个方面:(1)光谱吸收法的原理和机制研究;(2)选择合适的光源和检测器,并设计和制作光路系统;(3)利用MEMS技术制作小型化的气室;(4)利用UV光刻技术制作反射镜和光栅;(5)开发相应的电路和软件,实现甲烷浓度的检测和输出。
三、研究预期结果预计通过本研究可以实现一种基于光谱吸收法的甲烷气体传感器,具有以下特点:(1)灵敏度高:采用光谱吸收法可以实现对甲烷浓度的高精度检测;(2)快速响应:利用MEMS气室可以实现快速响应和快速恢复;(3)小型化:采用MEMS技术可以实现传感器的小型化和一体化;(4)宽动态范围:光谱吸收法可以实现对甲烷在不同浓度下的检测。
预计本研究的成果将对环保和工业生产具有重要意义,具有重要的应用前景。
甲烷tdlas光谱

TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)是一种可调谐半导体激光吸收光谱技术,可以用于测量甲烷气体。
通过使用TDLAS技术,可以获得甲烷气体的光谱信息,进而分析其浓度和成分。
在TDLAS技术中,可调谐半导体激光器的波长被调谐到特定频率,与甲烷气体分子吸收光谱的频率相匹配。
当激光器发出的光束通过甲烷气体时,气体分子会吸收光束中的能量,导致光强衰减。
通过测量光强的衰减程度,可以确定甲烷气体的浓度。
此外,通过测量不同波长下的光强衰减程度,可以获得甲烷气体分子的吸收光谱。
吸收光谱可以反映出气体分子的结构和性质,进而分析气体的成分和组成。
总之,TDLAS技术是一种高灵敏度、高选择性的气体分析技术,可以用于测量甲烷气体并获得其光谱信息。
这些信息可以用于分析气体的成分和组成,以及监测气体的浓度和分布情况。
光谱吸收式甲烷气体浓度检测理论与方法

谐波 ( f)和二次谐波 ( 2f)的系数分别为
If = m I0 I2f = - kα0 LC I0 式中
(9) ( 10 )
k
=
2〔2
+ x2 x2 ( 1
2 (1 + x2
+ x2 ) 1/2
)
1/2
〕
( 11 )
k为 x的函数 , x可以被调节到二次谐波的最大
值 ,当二次谐波取得最大值时 , dk / dx = 0,则 :
x = ( 2 + 2 2) 1 /2≈ 2. 2
( 12 )
这种条件下 , k = 3. 43。可见 , 一次谐波分量主
要由强度调制引起 ,幅度正比于光源的平均功率 ,与
气体浓度没有关系 。二次谐波信号与气体的浓度和
初始光强有关 ,检测二次谐波信号可以获得气体浓 度信息 。
由式 ( 9) 、式 ( 10)得 :
[ 3 ] S. D. Bom se, C. A. Stanton, A. J. Silver. Frequency Modulation and W avelength Modulation Spectroscop ies [ J ]. App lied Op tics, 1992, 31 (6) : 718 - 730.
由式
( 1 )可得
C
=α(1v) L ln
I0 ( v) I ( v)
(2)
式 (2)表明 , 如果 L 与 α( v)已知 , 通过检测 I
( v)和 I0 ( v)就可以测得气体的浓度 ,这就是光谱吸
收方法检测气体浓度的基本原理 。图 1为检测原理
3. 4 加强揭穿煤层期间支护 防止井壁四周煤体失 稳诱发煤与瓦斯突出
气相色谱法检测废气中甲烷非甲烷总烃的问题探析

气相色谱法检测废气中甲烷非甲烷总烃的问题探析气相色谱法是一种常用的废气分析方法,可以用于检测废气中的甲烷和非甲烷总烃。
该方法基于气体分子的相对大小和极性的不同特性,通过气相色谱柱对废气样品进行分离,再通过检测器进行定量分析。
气相色谱法检测废气中甲烷和非甲烷总烃的过程中存在一些问题,需要注意和解决。
其中主要包括以下几个方面:1. 样品前处理废气中甲烷和非甲烷总烃浓度通常很低,需要进行前处理才能使其浓度达到分析所需的水平。
常用的前处理方法包括吸附、净化、浓缩等。
吸附法一般采用活性炭、分子筛等吸附剂,可以去除废气中的水和二氧化碳等干扰物质,同时也能浓缩分离甲烷和非甲烷总烃。
净化法主要是通过化学反应去除废气中的有机物和硫化物等污染物,使样品更加纯净。
浓缩法则是将样品通过换热器和冷凝器使其浓缩,提高检测灵敏度。
2. 色谱柱选择选择合适的气相色谱柱是进行甲烷和非甲烷总烃分析的关键之一。
一般情况下,选择具有良好分离能力和较短保留时间的色谱柱。
对于甲烷和非甲烷总烃的分离,可以采用HP-INNOWAX色谱柱或DB-WAX色谱柱等。
同时还需注意选择适当的柱长和内径,以及适当的流速和温度控制,以保证良好的分析结果。
3. 检测器选择气相色谱法常用的检测器包括火焰离子化检测器(FID)、热导检测器(TCD)等。
FID 是一种灵敏度高、稳定性好、响应速度快的检测器,常用于检测C1-C5烃类。
TCD则是一种检测器响应广泛,通用性强,但不够灵敏,常用于检测C1-C10烃类。
对于甲烷和非甲烷总烃的分析,一般采用FID检测器,具有较好的分析效果。
4. 校准和质量控制在进行样品检测之前,需要进行校准和质量控制。
校准通常采用标准气体混合物进行,以保证检测器的准确度和灵敏度。
质量控制则是通过加入控制样和盲样等方式进行,以评估分析的准确度和可靠性。
综上所述,气相色谱法检测废气中甲烷和非甲烷总烃可以达到较好的分析结果,但需要注意前处理、色谱柱选择、检测器选择、校准和质量控制等方面的问题。
激光检测甲烷原理

激光检测甲烷原理
激光检测甲烷的原理主要基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)。
TDLAS 是Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy的缩写。
这种技术的核心是利用
可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性。
通过调制激光器的波长,使激光器的波长扫描过被测气体分子的吸收峰。
基于朗伯比尔(Lambert-Beer)
定律,气体分子会对被调制的激光进行吸收,从而根据吸收量实现对气体分子浓度的测量。
具体步骤如下:
1.发射激光:发射一个特定波长的激光束。
2.经过气体:激光束穿过待检测的气体(包括甲烷)。
3.吸收光谱:甲烷会吸收特定波长的激光束。
吸收后的激光束的强度会变弱。
4.探测光强:通过探测器,测量出透过气体的激光束的强度。
5.比较峰值:将探测到的光强与未经过气体的光强进行比较,计算出甲烷气体的浓度。
激光甲烷检测技术的优点是抗干扰能力强,不受现场温湿度的干扰,环境适应性强,适合环境恶劣、氧气稀薄甚至是没有氧气的情况下进行甲烷检测。
此外,由于
甲烷分子在1653.7nm附近有最大的吸收峰,且在该吸收谱线的前后0.5nm范围内
不存在其他气体的强吸收线,因此选择该吸收线可以达到非常低的探测下限,适合检测微量甲烷气体泄漏,同时还可以消除空气中其他干扰气体的影响。
气相色谱法测定甲烷的方法研究

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第37卷第2期2 0 1 1年3月 光学技术OPTICAL TECHNIQUEVol.37No.2March 2011 文章编号:1002-1582(2011)02-0241-04可调谐激光吸收光谱法与气相色谱法监测甲烷的对比研究*王敏1,张玉钧2(1.安徽建筑工业学院,合肥230022)(2.中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室,合肥230031)摘 要:甲烷是一种重要的温室气体,它对大气中温室效应的贡献仅次于二氧化碳。
针对环境空气中甲烷的测定,从测量原理、测量过程和测量装置等方面比较了可调谐二极管激光吸收光谱和气相色谱法两种测量方法。
结果表明用上述两种方法测得的甲烷的日变化趋势具有良好的一致性。
相比较而言,后者造价更低,并且更方便。
关键词:可调谐激光吸收光谱;气相色谱法;CH4中图分类号:O433.1 文献标识码:AComparison of CH4determined by tunable diode laserabsorption spectroscopy and gas chromatographWANG Min1,ZHANG Yujun2(1.Anhui University of Architecture,Hefei 230022,China)(2.Key Lab.of Environmental Optics &Technology,Anhui Institute of Opticsand Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China)Abstract:Methane is the second important greenhouse gas,after carbon dioxide.Its concentration is of particularimportance for radiative process and climate trends.Two measurement techniques are compared in the study.One is thetunable diode laser absorption spectroscopy and the other is Gas Chromatograph.The principles,measuring process andexperiment system are described.Results show that the daily variation trend of CH4derived from the two techniques arein good agreement and also indicated that the technique of tunable diode laser absorption spectroscopy is cheaper in costand more convenient.Key words:tunable diode laser absorption spectroscopy;Gas Chromatograph;CH40 引 言大气中痕量污染气体含量的变化严重地影响着人类的生活,其中温室效应的影响更加严重。
甲烷在大气中所造成的温室效应仅次于CO2,而远高于N2O,虽然它在空气中的含量远远低于二氧化碳,大约1.6×10-6[1],但是温室效应有26%是由于甲烷引起的[2],等量的甲烷对温室效应的作用是二氧化碳的22倍[3],是一种十分重要的温室气体。
同时,CH4又是化学活性气体,在大气中易被氧化而产生一系列的HxOy和碳氢氧化物,它们在许多大气成分的化学转化中扮演着重要的角色。
检测地面不同142*收稿日期:2010-09-06 E-mail:mwang1980@163.com基金项目:国家自然科学基金重点项目资助课题(50534050)作者简介:王敏(1979-),女,安徽建筑工业学院讲师,从事可调谐二极管激光吸收光谱法检测大气痕量气体的研究。
环境的甲烷含量对于分析大气中甲烷的来源是非常必要的,能够为大气化学的研究提供非常重要的依据。
可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)是利用半导体二极管激光器的波长扫描和电流调谐特性对痕量气体进行测量的一种技术。
由于二极管激光器的高单色性,因此可以利用气体分子的一条孤立的吸收谱线对气体的吸收光谱进行测量,从而方便地从混合污染成分中鉴别出不同的分子,避免了光谱干扰。
在痕量气体的监测中,为了提高系统的检测灵敏度和测量精度,采用多次反射吸收池增加气体吸收光程,与其它光学方法相比,TDLAS在灵敏度和选择性方面有着显著的优点,因为探测大多数小分子所选择的吸收线是其唯一的特征,就像指纹一样,并且可以在高精度和高分辨率条件下记录这个特征。
TDLAS非常适合于要求灵敏度高、选择性强和响应快速的大气痕量气体监测。
气相色谱法是利用试样中各组份在气相和固定相间的分配系数不同,当汽化后的试样被载气带入色谱柱中运行时,组份就在其中的两相间进行反复多次分配,由于固定相对各组份的吸附或溶解能力的不同,各组份在色谱柱中的运行速度就不同,经过一定的柱长后,便彼此分离,按顺序离开色谱柱进入检测器,产生的离子流信号经放大后,在记录器上描绘出各组份的色谱峰,从而实现对物质的分析检验。
它适于分析气体、易挥发的液体及固体,不适合分析不易气化或不稳定性物质,样品的衍生化使其应用范围进一步扩大(占有机物20%)。
许多观测站开展了大气CH4的监测工作,但对于城市大气中甲烷的监测研究的却很少,本文从介绍测量装置、测量过程入手,对气相色谱法和TD-LAS方法测量北京城区大气中甲烷含量进行全面的分析比较,并分析了北京城区甲烷日浓度变化特点。
1 测量装置和测量过程1.1 可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)测量TDLAS技术是利用激光器波长调制通过被测气体的特征吸收区,是在二极管激光器与长光程吸收池技术相结合的基础上发展起来的新的痕量气体检测方法。
具有高灵敏度、高选择性及快速测量等特点。
对空气中甲烷含量进行检测设备的灵敏度要求决定于大气中甲烷的含量,而这套实验设备的检测限小于0.087mg/m3,完全满足对空气中甲烷浓度进行检测的要求。
1.2 气相色谱法(GC)的测量图2是气相色谱仪的原理图。
本实验中用高纯氮气作为流动相(载气),流量为30mL/min,进样系统由进样器与气化室组成,它使样品在不变质的前提下快速定量地进入色谱装置。
实验中在采样泵的作用下,经采集罩过滤后的空气通过输气管路(外径6.3mm,内径4mm的聚四氟乙烯管,对CH4无吸附作用)直达分析实验室内。
每周采样一次,每次同时采集2个重复样品。
采样泵将空气样品压入0.8L内表面电镀抛光的不锈钢瓶,同时利用自行研制的温室气体连续监测系统每间隔3min自动取样分析一次,24h连续运转。
3 结 论实验结果表明,气相色谱法和可调谐二极管激光吸收光谱法都能满足大气中甲烷浓度的测量要求,GC法观测的大气CH4浓度日变化趋势,与TD-LAS法基本吻合。
但GC需要采样与预处理,取样比较复杂,样品的准确性对结果有直接的影响。
它不易集成为便携式,需要大量备用部件和专业人员的复杂设备。
可调谐二极管激光吸收光谱法具有精度高、响应快、选择性强及结构简单等突出优点,较容易集成为便携式,实现实时在线检测,一些仪器可在无人情况下长时间连续工作,使用起来也更为方便。
参考文献:[1]Nadezhdinskii A,Berezin A,Chernin S,et al.High sensitivitymethane analyzer based on tuned near infrared diode laser[J].Spectrochimica Acta Part A,1999,55:2083—2089.[2]Dickinson R E,Cicerone R J.Future global warming from at-mospheric trace gases[J].Nature,1986,319:109—115.[3]Amato F D,Mazzinghi P,Castagnoli F.Methane analyzerbased on TDL’s for measurements in the lower stratosphere:design and laboratory tests[J].Appl.Phys.B,2002,75:195—202.[4]Wu Sh Q,Masusaki H,Kimishima T,et al.Efficient reductionof fringe noise in trace gas detection with diode laser multipassabsorption spectroscopy[J].Jpn.J.Appl.Phys.,2000,39:4034—4040.[5]王长科,王跃思,刘广仁,等,北京城区大气CH4浓度及其变化规律[J].环境科学研究,2003,16(6):43—45.Wang Ch K,Wang Y S,Liu G R,et al.Variations of atmos-pheric methane in Urban area of Beijing[J].Research of envi-ronmental sciences.2003,16(6):43—45.442光 学 技 术 第37卷。