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基于可调谐半导体激光吸收光谱的CO和CH4实时检测系统设计

Design of Real-Time Measurement of Atmospheric CO and CH4 Based on Tunable Diode Laser Spectroscopy System

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摘要

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)具有高灵敏度和高分辨率等特点,被广泛应用在痕量气体的快速检测中。研制了基于TDLAS 的开放式长光程CO 和CH4实时检测系统,采用直接吸收的方法,避免了波长调制技术中必需的浓度标定,结构简单。利用STM32进行数据采集处理,获取气体浓度值和光强变化值,通过串口屏实现浓度和光强值的在线显示以及浓度和光强随时间变化的曲线显示,并将浓度数据存储在SD 卡中,取代上位机操作,实现检测系统小型化。利用中心波长在2333 nm 附近的激光器结合直接吸收的方法,在往返750 m 的长光程上,对合肥市科学岛的大气CO 和CH4 进行同时检测实验。检测结果表明,大气中CO 浓度值整体低于CH4 值。对该系统进行长时间的测试,验证系统稳定性,CO 系统检测限为0.205 mg/m3,CH4为0.181 mg/m3。

Abstract

Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) has a good prospect of application in rapid measurement of trace gases, due to its high resolution and high sensitivity. A real-time measurement system for atmospheric CO and CH4 based on open- path TDLAS is developed, which has a simple structure with direct absorption techniques, avoiding concentration calibration in wavelength modulation techniques. In the system, the data acquisition and processing is performed using a micro controller unit (MCU) of STM32, then the data is sent to DWIN graphical utilized software (DGUS), showing gas concentration and light intensity online, and the curves of gas concentration and light intensity versus time. The concentration and light intensity data is saved in the SD card. This system can replace the upper computer operation to achieve miniaturization. The system combining direct absorption method and a 2333 nm band laser is presented, and is utilized to monitor carbon monoxide and methane at Kexue Island of Hefei with 750 m optical path. The measurement result shows that the atmospheric CO concentration is lower than the CH4 concentration. The system has been tested for a long time to verify its stability, and its detection limit is 0.205 mg/m3 for CO and 0.181 mg/m3 for CH4.

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补充资料

中图分类号:O436

DOI:10.3788/aos201535.0430001

所属栏目:光谱学

基金项目:国家973计(2013CB632803)、中国科学院战略性先导科技专项(XDA05040102)

收稿日期:2014-10-31

修改稿日期:2014-12-03

网络出版日期:--

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李明星: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, 安徽 合肥 230031
刘建国: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, 安徽 合肥 230031
阚瑞峰: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, 安徽 合肥 230031
姚路: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, 安徽 合肥 230031
袁松: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, 安徽 合肥 230031
戴云海: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, 安徽 合肥 230031
魏敏: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, 安徽 合肥 230031
许振宇: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, 安徽 合肥 230031
阮俊: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, 安徽 合肥 230031

联系人作者:李明星(mxli@aiofm.ac.cn)

备注:李明星(1989—),男,硕士研究生,主要从事可调谐半导体激光吸收光谱检测技术方面的研究。

【1】D Richter, D G Lancaster, F K Tittel. Development of an automated diode-laser-based multicomponent gas sensor [J]. Applied Optics, 2000, 39(24): 4440-4450.

【2】P Werle, F Slemr, K Maurer, et al.. Near and mid-infrared laser-optical sensor for gas analysis [J]. Optical and Lasers in Engineering, 2002, 37(2): 101-114.

【3】Zhang Zhirong, Dong Fengzhong, Wang Yu, et al.. On-line monitoring of industrial toxic gases with a digital-control module [J]. Acta Optica Sinica, 2001, 31(s1): s100304.
张志荣, 董凤忠, 王煜, 等. 基于数字控制模块的工业有毒气体在线检测仪[J]. 光学学报, 2011, 31(s1): s100304.

【4】He Ying, Zhang Yujun, Zhu Anning, et al.. Open-path ammonia high sensitivity on-line monitoring in farmland based on laser techniques [J]. Acta Optica Sinica, 2011, 31(s1): s100407.
何莹, 张玉钧, 朱安宁, 等. 开放式农田氨气的高灵敏激光在线检测[J]. 光学学报, 2011, 31(s1): s100407.

【5】Kan Ruifeng, Liu Wenqing, Zhang Yujun, et al.. Continue monitoring of methane in urban area of Beijing with laser absorption spectroscopy [J]. Journal of Atmospheric and Environmental Optics, 2007, 2(3): 203-206.
阚瑞峰, 刘文清, 张玉钧, 等. 高灵敏激光吸收光谱仪检测北京城区甲烷浓度变化[J]. 大气与环境光学学报, 2007, 2(3): 203-206.

【6】He Ying, Zhang Yujun, Wang Liming, et al.. Laser technology for CO2 and H2O on-line detection in large-scale region [J]. Acta Optica Sinica, 2014, 41(1): 0115003.
何莹, 张玉钧, 王立明, 等. 大尺度区域CO2 和H2O 的激光在线检测技术[J]. 光学学报, 2014, 41(1): 0115003.

【7】Yang Bin, He Guoqiang, Liu Peijin, et al.. TDLAS-based measurements of parameters for incoming flow hot-firing test of airbreathing rocket engine [J]. Chinese J Lasers, 2011, 38(5): 0508006.
杨斌, 何国强, 刘佩进, 等. 利用TDLAS技术开展吸气式发动机来流热试实验参数测量[J].中国激光, 2011, 38(5): 0508006.

【8】He Junfeng, Kan Ruifeng, Xu Zhenyu, et al.. Derivative spectrum and concentration inversion algorithm of tunable diode laser absorption spectroscopy oxygen measurement [J]. Acta Optica Sinica, 2014, 34(4): 0430003.
何俊峰, 阚瑞峰, 许振宇, 等. 可调谐二极管激光吸收光谱氧气测量中的导数光谱处理与浓度反演算法研究[J]. 光学学报, 2014, 34(4): 0430003.

【9】Tang Yuanyuan, Liu Wenqing, Kan Ruifeng, et al.. Rapid and sensitive measurements of motor vehicle exhausts using quantum cascade lasers [J]. Chinese J Lasers, 2011, 38(12): 1215003.
汤媛媛, 刘文清, 阚瑞峰, 等. 基于量子级联激光器高灵敏快速检测机动车尾气排放气体浓度[J]. 中国激光, 2011, 38(12): 1215003.

【10】Geng Hui, Liu Jianguo, Zhang Yujun, et al.. Measurement of ethanol vapor in air with tunable diode laser absorption spectroscopy [J]. Acta Optica Sinica, 2014, 33(8): 0830001.
耿辉, 刘建国, 张玉钧, 等. 可调谐半导体激光吸收光谱法测量空气中乙醇蒸气[J]. 光学学报, 2014, 33(8): 0830001.

【11】Chen Jiuying. Study of Distributed Fiber Gas Monitor System Based on TDLAS [D]. Hefei: Hefei Institute of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, 2007.
陈玖英. 基于TDLAS的分布式光纤瓦斯监测系统的研究[D]. 合肥: 中国科学院合肥物质科学研究院, 2007.

引用该论文

Li Mingxing,Liu Jianguo,Kan Ruifeng,Yao Lu,Yuan Song,Dai Yunhai,Wei Min,Xu Zhenyu,Ruan Jun. Design of Real-Time Measurement of Atmospheric CO and CH4 Based on Tunable Diode Laser Spectroscopy System[J]. Acta Optica Sinica, 2015, 35(4): 0430001

李明星,刘建国,阚瑞峰,姚路,袁松,戴云海,魏敏,许振宇,阮俊. 基于可调谐半导体激光吸收光谱的CO和CH4实时检测系统设计[J]. 光学学报, 2015, 35(4): 0430001

被引情况

【1】张浩,林惠莺,李天祺,段正,Katarina Svanberg,Sune Svanberg. 散射介质中的气体吸收光谱技术对食品包装中氧气含量的光学无损检测. 光学学报, 2016, 36(2): 230005--1

【2】徐 冬,吴 涛,何兴道,房 辉. 基于1392 nm高灵敏度积分腔的痕量水汽测量. 激光与光电子学进展, 2017, 54(6): 63001--1

【3】丁俊雅,何天博,王洪亮,丁忠军,俞本立,李劲松. 基于外腔式量子级联激光光谱的挥发性气体检测方法. 光学学报, 2018, 38(4): 430002--1

【4】赵庆川. 中红外甲烷二氧化碳双气体传感系统的研制. 光学学报, 2020, 40(23): 2330001--1

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