基于免校准波长调制的多光程吸收光谱
基于LD波长调制的环境氧气浓度实时检测技术
系数 ， 根据所测得 的相同波长下的单线吸收度直接估计环境中的氧气浓度。所提 出的方法在实验装置上
更 为简 单 ， 通过 实验 验证 了其测 量精 度能 够满 足许 多场合 应用 的需要 。 并
１ 基 本 原 理 与 实 验 装 置
１ １ 基本 原理 ．
氧气在 ７０ｎ ｌ ６ ｒ 附近存在一个吸收谱带 （ Ａ带）它几乎不会受其他气体 的吸收光谱的干扰 ， ｌ 即 ， 所以可 以作为氧气检测 的特征吸收谱带。因此 ， 研究 中使用了 ７ ０ ｍ的可调谐激光二极管 ， ６ ｎ 通过温度控制和驱 动 电流调 制来 实现 Ｌ 的输 出波 长在 ７ ０ｎ 附近进行 扫描 ， Ｄ ６ ｍ 以获得氧 气 的吸收 光谱 。
ｃ ｎｃ ｎｔ ａ ｉ ｎ ｖ ｒｏｕｓ ｅ ｉｏ ｅ ． Ｏ ｅ ｒ ｔＯｎ ｉ ａ ｉ ｎｖ ｒ ｍ ｎｔ
Ｋｅ ｒ ｓ ｕ ａ ｌ ａ ｅ ｉ ｄ ；ｗａ ｅ ｅ ｇ ｈ ｍ ｏ ｕ ａ ｉ ｎ；ｏ ｙ ｅ ｏ ｃ ｎ ｒ ｔｏ ｙ ｗｏ ｄ ：ｔ ｎ ｂ ｅ ｌ ｓ ｒｄ ｏ ｅ ｖ ｌｎ ｔ ｄ ｌｔｏ ｘ ｇ ｎ ｃ ｎ ｅ ｔａｉｎ
＊
邓 远 博 ， 晓露 ， 廖 袁
波
３０２） １ ０ ７
（ 江 大 学 光 电信 息 工 程 学 系 ， 江 杭 州 浙 浙
摘 要 ： 气在 ： ＿ 生产 、 境检 测 、 氧 ｒ， －ｋ ｌ 环 医疗卫 生以及 人 们 的 日常 生 活 中都 起 着非 常重 要 的作 用 ， 国 内外对 高效 灵敏 的氧 气检 测手段 迫切 需 求 。为 了克服 传 统氧 气测 量方 法 的弊 端 ， 通过 改 变 温度
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｏｘ ｇ ｎ ｌｙ ａ ｅ ｒ ｌ ｉ ｉ ｄ ｓ ｒａ ｐ ｏ ｕ ｔ ｎ， ｅ ｖ ｒ ｎ ｅ ｔ ｌ ｓｒ ｃ ： ｙ ｅ ｐ ａ ｓ ｋ ｙ ｏ ｅ ｎ ｎ ｕ ｔ ｉ ｌ ｒ ｄ ｃ ｉ ｏ ｎ ｉｏ ｍ ｎ ａ ｍｏ ｉｏ ｉ ｇ， ｎ ｔ ｒｎ ｈ ａ ｔ ｃ ｒ ，ａ ｌ ａ ｅ ｐ ｅ Ｓ ｄ ｉ ｉ ，ａ ｄ ｔ ｅ ｅｉ ｎ ｕ ｇ ｎ ｅ ｄ ｔ ｉ ｄ ａ ｓ ｎ ｉ ｖ ｔ ｏ ｅ ｌｈ ａ ｅ ｓ ｗｅ ｌ ｓｐ ｏ ｌ ａ ｌ ｌ ｅ ｎ ｈ ｒ ａ ｒ ｅ ｔｎ ｅ ｏ ｆ ｅ ｓ ｔ ｅ ｍｅ ｈ ｄ ｙ ｆ ｓ ｎ ｉ ｗｉ ｉ ｈ ｅ ｆｃｅ ｃ Ｏ ｄ ｔ ｃ ｘ ｇ ｎ ｔ ｈ ｇ ｆｉｉ ｎ ｙ ｔ ｅ ｅ ｔ ｏ ｙ ｅ ．Ｔｏ ｏ ｅ ｃ ｍ ｅ ｔ ｅ ｄ ｆ ｃ ｓ ｏ ｒ ｄ ｔｏ ａ ｐ ｒ ａ ｈ ｓ ｆ ｒ ｈ ｖ ｒ ｏ ｈ ｅ ｅ ｔ ｆ ｔ ａ ｉ ｎ ｌ ａ ｐ ｏ ｃ ｅ ｏ ｉ
实验22 光调制法测量光速
实验22 光调制法测量光速从17世纪70年代伽利略第一次尝试测量光速以来，各个时期人们都采用当时最先进的技术来测量光速。
1983年，国际计量局召开第七次米定义咨询委员会和第八次单位咨询委员会决定，以光在真空中1/299792458 s的时间内所传播的距离为长度单位米（m），这样光速的精确值被定义为c = 299 792 458 m/s。
光在真空中的传播速度是一个极其重要的基本物理常量，许多物理概念和物理量都与它有密切的联系。
例如，光谱学中的里德堡常数，电子学中真空磁导率与真空电导率之间的关系，普朗克黑体辐射公式中的第一辐射常数、第二辐射常数，质子、中子、电子等基本粒子的质量等常数都与光速c相关。
正因为如此，许多科学工作者都致力于提高光速测量精度的研究。
【实验目的】1．了解和掌握光调制的基本原理和技术；2．学习使用示波器测量同频正弦信号相位差的方法；3．测量光在空气中的速度。
【预备问题】1．光波的波长、频率及速度是如何定义的？2．能否对光的频率进行绝对测量？为什么？3．等相位测量波长法与等距离测波长法，哪一种方法有较高的测量精度？【实验仪器】光速测量仪，示波器等。
光速测量仪的介绍见本实验附录22-A。
【实验原理】1．利用波长和频率测速度按照物理学定义，任何波的波长λ是一个周期内波传播的距离。
波的频率f是1 s内发生了多少次周期振动，用波长乘以频率得1 s内波传播的距离即波速为=（22-1）c fλ利用这种方法，很容易测得声波的传播速度。
但直接用来测量光波的传播速度还存在很多技术上的困难，主要是光的频率高达1014Hz，目前的光电接收器无法响应频率如此高的光强变化，迄今仅能响应频率在108 Hz左右的光强变化并产生相应的光电流频率。
2．利用调制波波长和频率测光的速度如果直接测量河中水流的速度有困难，可以采用如下方法：周期性地向河中投放小木块，投入频率为f，再设法测量出相邻两小木块间的距离λ，则依据式（22-1）即可算出水流的速度。
大学物理-第五节 光栅衍射
四 主极大的缺级 如果某主极大的位置 同时又是单缝衍射极小位置 则该衍射角同时满足两个光程差公式
d sin m 和 asin k
结果:
由于单缝衍射满足极小
A( ) 0
所以使得这一级主极大无法出现
这一现象叫主极大缺级
从 d sin m 和 asin k
得
d m
ak
缺级满足关系
m d k (k 1,2,) a
a
5000
2 104
0
A
0 25
（3）由光栅公式
I
d sin k
k 4 sin 0 25 0
d
4 5000
8 104
0
A
0 25
或由缺级条件： d 4 a
0
d 4a 8104 A
sin 0.25
0、1、 3
0
例3 入射光 5000A ，由图中衍射光强分布确定
(1) 缝数 N = ?
I
(2) 缝宽 a = ?
(3) 光栅常数 d = a+b = ? 0
sin 0.25
解： （1）由相邻主极大之间有N-1条暗纹，N-2条 次极大可知：N＝5。
（2）由单缝衍射暗纹公式 a sin k k 1 sin 0 25
d sin 3紫
d sin 2
400 ~ 760nm
3 2
紫
600nm
二级光谱重叠部分:
600 ~ 760nm
用途——光谱分析
如果光源发出的是白光，则光栅光谱中除零级 近似为一条白色亮线外，其它各级亮线都排列成连 续的光谱带。由于电磁波与物质相互作用时，物质 的状态会发生变化，伴随有发射和吸收能量的现象， 因此关于对物质发射光谱和吸收光谱的研究已成为 研究物质结构的重要手段之一。
LD调制技术在光学式甲烷气体传感器中的应用
。
簦
（）
ａ ｏ
口五
式 中 ： 一 吸 收 线 半 宽度 ；
一
气 体 吸收 中心 谱 线 ；
Ⅳ 一 在 标 准 大气 压 下 ，２ 。 时 单位 体 积 内 的气 体 的 分 ｎ ５Ｃ
子数 ；
图 １ 光源 调 制 原 理 框 图 三 、 波 长 调 制 技 术 的 应 用
输 出、延长激光器的使用寿命ｌ，而且不需要对 Ｌ Ｄ采取稳频措施 ，仍可 以达到很高的检测灵敏度 。
研究 中采用垂直 腔激 光器，在保证光源温度稳定 的条件下 ，通过 改变注入 电流的大小，对 甲烷气体位于
１５ ． ２ｍ 处 的吸 收 光 谱 进 行 三 角 波 和 正 弦波 相 结合 的扫 描 调 制 ， 同时 应 用 锁 相 放 大 技 术对 其 中微 弱 的二 次 ６ ３７ ｎ ２ 谐 波 幅 度 信 号 进 行 提 取 ，实 现 了 甲烷气 体浓 度 的检 测 。
波 长 在 气 体 吸 收 峰 附 近 扫 描 的 方 式 实 现 对 二 次 谐 波 最 大 值 的
稳 定 检测 ， 图 １为对 应 的激 光器 驱动 原 理 框 图 。
产 生 一 个 余 弦 变 化 的 波 长 ， 激 光 器 的 输 出波， ） ２ ｏ ｃ ｏ
ｉ、 ｃ ｉｏ ｃ （ ＝ｉ ＋Ａ ｃ ｓｏ ｔ ｔ （） ３
峰中心对准 ，然后检测经过气体吸收后的光强的谐波分量 的
相 关 信 息 ， 来 获 得 待 测 气 体 浓 度 的 大 小 。这 种 方 法 采 用 光 源
其 中直 流 量 对 应激 光 器 的 中 心波 长 ， 调 制 系 数 ， △为
数 的 ５ ％ 以上 ， 因此 及 时 、准 确 地 探 测 甲烷 气 体 浓 度 并 由此 发现 产 生源 、 泄漏 源 对 于 工 矿 安 全 运 行 具 有 十１ ０ 分 重要的意义ＩＪ Ｉ。
基于TDLAS的扫描式激光甲烷检测技术在天然气站场的实践运用
基于 TDLAS的扫描式激光甲烷检测技术在天然气站场的实践运用摘要：介绍了激光式甲烷检测技术的相关原理，并与其它传统甲烷检测技术相比较，可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)以其响应速度快、灵敏度高、维护成本低等优点必将得到广泛应用；并对扫描式激光甲烷检测仪在某天然气分输站的实际应用效果进行了分析。
关键词：TDLAS 天然气站场泄漏监测光谱吸收实际应用分析1概述管道输气是天然气的主要运输方式，天然气管道运输将是今后相当长时间内国家能源发展战略，而输气站场是整个管输天然气系统的枢纽，由于目前我国大多数输气管道站场工艺区为露天、敞开区域，天然气泄漏后难以及时发现，因此为燃气站场提供稳定灵敏、准确实时的天然气泄漏检测技术十分重要。
近几年来，随着窄线宽半导体激光器技术的飞速发展，使得可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS- Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)甲烷检测技术逐步成熟。
该技术对天然气泄漏检测技术的发展具有重要意义，比较传统天然气泄漏检测技术性能更优越，更能满足对无人站智能监测的需要。
2基于TDLAS的激光甲烷检测技术2.1 与传统检测技术的比较到目前为止，己有许多技术可实现甲烷检测。
检测方法可分成传统检测方法和光谱吸收检测方法。
基于技术原理的不同，传统的检测方式又可细分为催化燃烧型、电化学型和非色散红外型（NDIR）等。
催化燃烧型：催化燃烧型传感器主要由桥式电路和气敏元件组成，具体原理是甲烷和空气中的氧气受催化发生氧化反应，在检测元件敏感体表面无焰燃烧，释放热量导致敏感体温度升高，检测元件阻值因此发生改变，桥式电路失去平衡产生电流，通过测量该电流信号即可判定检测气体的浓度。
基于该技术的甲烷检测仪具有结构简单、价格便宜、只对可燃气体有反应不受非可燃气体干扰，而且输出信号接近线性，易于处理。
但该技术也存在在可燃气体范围内，无气体选择性，且有引燃爆炸的风险，检测精度一般检测范围窄，且高浓度甲烷和硫化物会对传感器产生中毒作用从而使检测仪失效因此需要经常性标定，易出现零漂和灵敏度漂移的情况。
【国家自然科学基金】_调制光谱_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140803
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Байду номын сангаас
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激光吸收光谱技术
24
探测器PD1与PD2输出到平衡器，则平衡器的输出信号 Is(υ)比例于
Is () I2 () I1 '() (1 )I () [ I() I()] I() (1 2 )I()
当β=1/2时， Is(υ)为
IT () I0 () exp[ ()L]
1 L
一般气体样品 吸收系数α(υ) 比较小： α(υ)•x<<1
ln I0 /IT L
8
什么是吸收系数α(υ)
爱因斯坦的能级跃迁:入射光频率υ=(ε2- ε1)/h，分子才能 吸收入射光。在厚度为dl的分子层内，强度为I的入射
39
调制光谱技术：波长调制光谱与频率调制光谱。 两者的主要差别：调制频率和调制幅度
波长调制：调制幅度大(接近被测谱线的线宽)，而调制 频率较低(数kHz到数十kHz) ； 频率调制：调制幅度较小但调制频率很高(~数百MHz， 与被测谱线的线宽相当) 。 频率调制在数百MHz的频率调制，各种噪声已降低到可 忽略的水平，因此可以达到高的检测灵敏度。但频率调 制光谱的解调困难，检测结果的分析比较复杂，因此波 长调制光谱相对实用。
lorentzgaussvoigt函数中的一种10什么是吸收线强laserspectroscopyitsapplication11分子吸收线强浓度压力cm2atmatm11hchcehckt配分函数跃迁对应的低能级能量kelvin温度波数cm1波尔兹曼常数普朗克常数12sxpsxp为峰值归一化函数用来估算吸收光谱技术的探测灵cm2atm14激光吸收光谱1516激光吸收光谱特点17有很高的光谱分辨率在传统吸收光谱技术中光谱的分辩率受到谱线展宽效应的限制又受仪器分辨率的限制例如受到分光元件如光栅分辨率和狭缝宽度等因素的影响
【国家自然科学基金】_tdlas_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802
序号科研热词推荐指数序号科研热词
1自平衡探测21自平衡激光接收器
2最小二乘法22数字锁定放大器
3二次谐波探测23微弱信号
4高温测量14预混平面火焰
5线强15近红外吸收光谱技术
6离散化方法16燃烧诊断
7瓦斯17激光吸收光谱
8灵敏度18温度测量
9激光吸收光谱19浓度测量
10波长调制光谱110数据采集
11气体温度分布测量111数据处理
12检测系统112归一化光强
13时分复用113开放式长光程光路
14开放光路气室114开放光程
15吸收光谱115定量分析
16可调谐激光吸收光谱技术116多线程
17可调谐激光二极管吸收光谱学117可调谐半导体激光吸收光谱(
18可调谐半导体激光吸收光谱118可调谐二极管激光器(tdl)
19可调谐半导体吸收光谱119可调谐二极管激光吸收光谱(
20可调谐二极管激光吸收光谱120光谱数据库
21光纤传感技术121二氧化碳
22二次谐波122tdlas
23voigt 线型函数1
24co浓度1
2008年2009年