采用相位敏感型光时域反射仪的分布式光纤传感系统对除尘器内滤袋进行实时监测.通过对光纤在除尘器滤袋内敷设方式的设计, 实现了对除尘器内滤袋的定位.对6种类型的破袋内光纤振动信号进行采集, 且当这些滤袋没有破损时, 对其光纤振动信号也进行采集.采用小波包分解法计算了滤袋内光纤振动信号的信息熵和相关系数, 并将两参数合并构成二维特征参量.分析了在不同的二维特征参量下, 好袋内光纤振动信号和破袋内光纤振动信号之间的特征差别.以类型3滤袋信号特征样本作为训练样本对反向传播神经网络进行训练, 然后对6种类型的滤袋信号特征样本进行识别, 结果显示该方法对6种类型的滤袋具有较高的识别稳定性, 且平均滤袋识别率分别达到96.2%、88.7%、98.4%、98.5%、98.5%、98.5%.

激光吸收光谱常被用于测量大气痕量气体,但某些气体在某波长附近会出现多条谱线重叠的现象,导致吸收信号产生重叠峰。以NH3气体为例,研究6529 cm -1附近的4条重叠谱线,通过Voigt线型模拟不同压强下的谱线,搭建直接吸收光谱测量实验系统。实验发现,低浓度NH3气体的谱线峰值并没有随着压强的减小而减小,反而逐渐增大。由于NH3存在吸附性,因此,采用无吸附性的CH4气体进行验证。结果表明:当气体压强为0.18 atm(≈18 kPa)时,实验谱线与模拟谱线相差最小,NH3的最大吸收峰吸光度与气体浓度成正比。研究结果为后续多气体测量过程中的干扰问题提出了解决方法。

设计了一种基于频率补偿技术的高精度、高稳定度抽运激光器驱动电路,该驱动电路以深度负反馈系统的电流调节为内环,光功率反馈调节为外环,同时采用一阶人工分析与Tina SPICE仿真相结合的方法,对环路进行频率补偿,实现了抽运激光器的高稳定性控制。通过模拟比例积分微分技术控制驱动芯片,实现半导体制冷器的电流调节。所设计的驱动电路在自动电流控制模式下输出连续可调的电流,同时具有慢启动、防反向电流和过流保护等功能,输出电流长期稳定度可达0.04%。在自动功率控制模式下,激光器输出功率长期稳定度优于0.3%,控制线性度达0.9999,温控的长期稳定性优于0.0928%。实验结果表明,该驱动系统具有安全性高、稳定性好、使用方便等优点。

利用自行设计的集成微区成像激光诱导击穿光谱系统, 分析了孔径光阑设定、目标区域大小以及样品表面反射率对表面图像位置敏感特性的影响.结果表明, 表面图像锐度在大孔径设定下对位置更为敏感, 适用于自动对焦过程; 反射率对表面图像锐度的位置敏感特性影响较小, 且部分表面图像的锐度也可用于辅助激光诱导击穿光谱对焦; 不同样品不同目标区域大小, 图像锐度最大值对应表面位置具有很好的重复性.在此基础上, 建立了基于表面图像锐度的自动对焦方法.

使用衍射光学元件将高斯激光光束整形为能量分布均匀的平顶激光光束,对比了两种激光诱导铜等离子体的特性,研究了光束整形对激光诱导击穿光谱稳定性的改善作用。研究结果表明:激光光束能量分布的均匀性引起了烧蚀坑形貌以及单次烧蚀量的差异,高斯激光和平顶激光诱导光谱的强度、等离子体温度和电子密度的相对标准偏差分别为12.33%和6.37%、2.10%和1.32%、5.31%和0.65%;光束整形后激光诱导击穿光谱的稳定性得到了明显改善,两种激光诱导产生的等离子体均呈局部热力学平衡状态。

搭建了一套集成微区成像的激光诱导击穿光谱系统,运用描述性统计分析方法分析了激光器的能量稳定性、光谱仪的噪声水平,重点分析、对比了气体样品和固体样品激光诱导击穿光谱信号的稳定性特征。结果表明:空气样品激光诱导击穿光谱信号具有明显的随机波动特性和正态分布特征,铝合金样品激光诱导击穿光谱信号具有明显的位置敏感特性和非随机波动特性;与空气样品相比,铝合金样品激光诱导击穿光谱信号的不稳定性主要源于光与物质相互作用区域的变化;对具有正态分布特征的激光诱导击穿光谱信号,可通过多脉冲平均来有效提高其稳定性。

鉴于常规的标识性气体监测方法在响应速度、测量精度、使用寿命、实时性、监测目标种类、测量范围和应用场合等方面相比激光吸收光谱技术存在不足, 本文以可调谐半导体激光吸收光谱技术为依托, 选取合适的无干扰激光吸收谱线, 阐述了工业管道抽取式、管道原位在线对射式、扩散探头式(全量程激光监测一体机形式与多点无源传感器探头形式)、无组织排放开放光路式等多种形式的监测方法。上述系统的测量结果显示: 抽取式可实现CO、CO2、O2等不同多组分气体的同时测量; 管道对射式实现了O2及10 μL/L以下CO的高精度在线测量; 探头式则以CH4测量为例实现了响应时间T90=15 s, 监测极限小于150 μL/L, 泄漏报警准确率达100%; 开放光路形式以天然气集气站场测量CH4、C2H2、C2H4三种气体为例实现了0误报的监测能力。上述分析结果表明, TDLAS技术应用于工矿安全生产及安全预警方面的标识性气体监测是完全实用、有效、准确、可靠的。

研究了激光诱导击穿光谱技术在判别未经预处理岩石样品沉积相方面的识别能力.将经地质专家鉴定的27个陆相和14个海相沉积样品作为待分析样品,B的谱线强度及B/Ga、Sr/Ba和Fe/Mn谱线的积分强度比分别作为区分依据用于判别沉积相.由于B、Ga、Sr和Ba在岩石中含量非常低, 而且分布不均,导致少量样品难以区分.Fe和Mn的含量相对较高,因此Fe/Mn能够很好地将陆相和海相沉积样品区分.相对于其它区分依据,Fe II 259.940 nm/Mn II 259.372 nm表现出最好的区分性能.激光诱导击穿光谱技术能够实现录井现场快速、准确判别岩石样品沉积相.

对制备的七种不同湿度的岩屑样品进行实验, 研究了水分含量对激光诱导岩屑等离子体特性的影响以及不同水分含量下样品中各元素浓度值的修正方法.实验分析了Ca II 422.67 nm 谱线强度随岩屑样品含水量的变化, 通过Ca II 和Al I 各自四条谱线的玻尔兹曼图计算了不同水分含量下的等离子体平均温度, 并使用Lorentz拟合Ca II 422.67 nm谱线获得了不同水分含量岩屑等离子体的电子密度.实验结果表明, 随着水分含量的增加, 光谱强度、等离子体温度和电子密度均线性降低, 各元素自由定标模型定量分析结果有较大差异, 但不同水分含量的岩屑等离子体均满足局部热力学平衡的Mc Whirter标准, 自由定标模型可以用于不同水分含量岩屑样品的分析及影响的简单修正.

近年来，激光吸收光谱技术取得了巨大进步，应用领域不断拓展。在气体检测中，激光吸收光谱技术已实现了近百种气体的定性或定量测量，并以气体分子为测量对象，可实现温度、流速、压力等参量的同时非接触测量。激光吸收光谱气体检测涉及到安全监测、工业流程优化控制、废气源排放监测、环境中痕量有毒/有害/易燃/易爆成分探测、呼吸气体分析及某些疾病的早期诊断与筛查、化学反应过程测量与诊断、发动机燃烧诊断、超声速风洞测量、深海溶解气体探测、火山状态探测、星际生命探测等领域。随着全球环境、生态以及能源问题的日益加剧，激光吸收光谱气体检测技术受到了空前关注。