在种子呼吸 CO2检测系统中, 为了解决传统方法无法对种子呼吸 CO2浓度实时测量的难题, 本文根据种子呼吸 CO2的特点, 基于可调谐二极管激光吸收光谱 (TDLAS)技术设计了基于虚拟仪器 LabVIEW的种子呼吸检测系统。该系统主要包括激光光源及其控制器、基于多次反射池结构的种子呼吸容器、数据采集模块。上位机软件中主要设置了数据采集、信号处理、浓度反演等功能模块, 其中浓度反演采用正交矢量的锁相放大算法, 避免了参考信号与待测信号相位差产生的误差。实验结果表明, 采用虚拟仪器软件实现的种子呼吸 CO2检测系统, 能够有效检测种子呼吸变化, 抗干扰性和稳定性都较优, 为后续的实验开展研发奠定了基础。

如何快速、无损地检测种子活力是目前种子研究领域的热点和难点。基于种子呼吸与种子活力的关系搭建了基于可调谐半导体激光吸收高光谱(TDLAS)技术的种子活力快速无损检测系统,该系统主要由分布反馈式激光器及其控制电路、光电转换及放大电路、数据采集电路、上位机软件以及基于多次反射池结构的种子呼吸CO2浓度检测池构成。检测池的容积为1.5 L,光程为16 m,激光光源波段为2004 nm。基于朗伯比尔定律,采用波长调制吸收光谱技术利用二次谐波反演出种子呼吸过程中产生的CO2浓度。根据种子呼吸CO2浓度的大小确定种子活力的强弱,并将其与发芽出苗实验获得的活力指数进行对比。实验结果表明:CO2呼吸强度的变化量与种子活力等级指数的相关性在0.9以上,即基于TDLAS技术的种子活力快速无损检测系统能够精准、无损、高效地反映种子活力的强弱。这一研究为采用TDLAS技术进行种子活力无损检测分级提供了有益探索。

针对传统种子呼吸CO2浓度检测方法中检测精度低的问题, 为了满足测量需要, 提出一种采用可调谐二极管激光器吸收光谱技术的种子呼吸测量系统方案。该系统是由多次反射池结构的种子呼吸容器、分布反馈式激光器及其控制电路、光电转换及放大电路、数据采集电路、上位机软件等构成, 设计种子呼吸容器其空间体积为1.5 L, 激光器光源采用2 004 nm波段, 多次反射池光程为16 m。然后, 基于朗伯比尔定律, 通过波长调制吸收光谱技术, 利用二次谐波实时反演出种子呼吸过程中产生CO2气体的浓度。测试结果显示: 种子呼吸CO2浓度测量的稳定重复性为0.033%, CO2浓度的线性拟合度为0.999 38, CO2浓度检测极限为1.7 ppm。通过实验对糯玉米种子进行检测, 获得20 g玉米种子呼吸的变化曲线, 其12 h内变化量为2 750.5 ppm, 呼吸速率为229.2 ppm/h, 实验结果表明该系统能解决种子呼吸CO2浓度无法连续性测量、浓度检测精度低等问题。

为了有效地测量风洞中的气体流速，以激光多普勒频移原理为基础，结合波长调制可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术，利用HITRAN 数据库，选取氧气(O2)分子在13144.5 cm-1附近的吸收谱线作为研究对象。在软件中建立了气体流速测量模型，模拟分析了流速测量结果；在实验室中利用超声风洞装置，建立了一套基于波长调制-TDLAS技术的流速测量系统，通过实验，提取出O2的二次谐波信号，根据O2分子吸收谱线的二次谐波信号的频移量反演风洞中的气流速度。实验结果表明，在实验室环境下，系统测量流速达到707.6 m/s，符合超声风洞的设计，测量误差范围为5.47%。实验结果为基于波长调制-TDLAS方法测量流速的小型化系统研制以及飞行实验进行了前期准备。

以激光多普勒频移原理为基础, 结合波长调制可调谐半导体激光吸收光谱技术, 以氧气分子在13 144.5 cm－1附近的吸收谱线为研究对象, 在实验室建立了一套基于波长调制可调谐二极管吸收光谱技术的超音速气流质量流量测量系统.根据O2分子吸收谱线的二次谐波信号频移, 反演出风洞中气流速度; 再根据二次谐波信号的峰值反演出氧气质量浓度.实验表明: 在实验室环境下, 系统测量流速达707.6 m/s, 氧气质量浓度0.49 g/L, 质量流量值0.42 kg/s, 测量误差范围5.46%.实验结果可用于采用TDLAS测量发动机进气道氧气质量流量的小型化系统研制及飞行实验.

中红外为分子的基频吸收波段，可被用于痕量气体的高灵敏度检测。介绍了基于中红外室温连续量子级联激光器（CW-QCL）结合波长调制技术（WMS）的光谱检测方法，研究了消除气体间交叉干扰的方法，并进行了相关的验证实验。利用中心波长在1274 cm-1波段附近的量子级联激光器搭建了一套开放光路温室气体探测实验系统，进行101 m开放式测量实验，实现了对大气中CH4、N2O的同步在线测量，检测限分别为3.87×10-9和1.28×10-9，验证了实验系统和实验方法的可行性，为实现区域高灵敏温室气体监测奠定了基础。

在气体质量流量测量系统中，波长调制光谱信号的谐波分量，特别是其二次谐波分量常被用作为检测对象，用于气体浓度、速度等信息的反演。基于波长调制原理，利用氧气（O2）分子在764.28 nm附近的吸收谱线，分析了常见线型的半峰全宽，得出了不同温度、压强下洛伦兹线型的适用范围；研究了O2分子吸收谱线在不同温度、压强条件下的二次谐波峰值；对不同温度、压强下，采用二次谐波峰值反演气体浓度产生的误差进行了分析，并提出了误差修正方法；分析了实验过程中当最佳调制深度不能够随着温度、压强即时调整的情况下，最优调制系数在不同温度、压强变化下的适用范围，并给出了误差修正公式。

中红外为分子的基频吸收带，利用可调谐二极管吸收光谱（TDLAS）技术，扫描气体的单根吸收谱线，可以对温室气体进行高灵敏度探测。介绍了利用2704 nm波段激光器结合直接吸收的方法对温室气体进行探测的小型化光谱仪的研制。利用数字信号处理器(DSP)对吸收信号进行采集处理，并根据环境温度值和海拔高度对气体吸收浓度进行校正，同时对激光器波长进行锁定，保证了探测精度，最后对结果数据进行存储。系统采用电池供电，响应时间为1.6 s，检测限为5×10-7，实验对系统进行了长时间测试，验证了系统的稳定性和可行性。