塑料产品除了在自然环境中可降解为微塑料污染环境之外, 还会产生挥发性有机物, 同样对环境造成巨大的污染和危害, 因此对塑料挥发物的测量就显得尤为重要。 目前传统挥发物的测量方法, 如环境质谱法和色谱法等, 存在测量过程复杂, 成本高, 无法实时测量等缺点, 因而需要一种快速有效的针对塑料挥发物的测量方法。 采用傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer, FTIR Spectrometer)结合怀特池对塑料挥发物进行测量, 但是由于抽取式傅里叶变换红外光谱仪本身灵敏度有限, 很难实现微量的塑料挥发物的测量, 所以针对这一问题, 尝试通过长光程气体池提高常规傅里叶变换红外光谱仪的灵敏度从而实现不同种类塑料挥发物的测量。 选取了5种塑料产品, 分别是低密度聚乙烯(LDPE), 高密度聚乙烯(HDPE), 聚乙烯(PE), 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET), 聚丙烯(PP), 利用光程长为20 m的怀特池结合傅里叶变换红外光谱仪实现了其中一些挥发物的光谱特征观测, 实验观察到所有种类的塑料在2个光谱波数段具有明显的光谱特征, 分别为800~850和1 050~1 150 cm-1。 除聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)外, 其余4种塑料挥发物在2 800~3 000 cm-1还存在明显的光谱吸收波段。 进一步又研究了不同温度条件下塑料产生的挥发物, 通过分析不同温度条件下的塑料产生的挥发物的红外光谱, 发现除低密度聚乙烯(LDPE)在两种温度条件下光谱差异较大外, 其他种类的塑料挥发物红外光谱差异较小。 该研究提出了一种新型的基于长光程FTIR的塑料挥发物的测量方法, 证实了其在塑料挥发物测量方面的有效性, 这种方法具有测量成本低, 可连续观测, 实时在线等优点, 为实现连续在线的塑料挥发物排放通量监测奠定了基础。
中红外 长光程气体池 塑料挥发物 快速检测 Mid-infraredspectroscopy Long optical path gas cell Plastic volatiles Fast measurement 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3039
红外与激光工程
2020, 49(10): 20190525
红外与激光工程
2020, 49(9): 20190551
为了对大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪进行全谱段高精度光谱定标，通过分析干涉型光谱仪的工作原理，对光谱漂移因子进行理论推导，发现通过有限光谱位置校正能实现全谱段光谱定标。采用了以波长计为基准，通过连续可调谐激光作为测试光源的光谱定标方法，并以高精度气体池系统进行交叉定标来验证定标精度。试验结果表明，通过测量光谱漂移因子来进行光谱定标的测试精度优于0.004 cm?1，满足高精度光谱仪定标需求，漂移因子能够应用于干涉型光谱仪光谱定标。
探测仪 光谱仪 波长计 气体池 sounder FTIR wavemeter gas cell
郑州工程技术学院 信息工程学院, 河南 郑州 450044
采用激光吸收光谱法可实现气体同位素丰度的探测, 由于待测气体吸收线的吸收系数会受待测气体温度的影响, 将直接影响气体同位素检测系统的精准度和稳定度, 文中设计并研制了一种高精度的多通池温度控制系统。硬件方面, 采用高精度PT1000铂电阻温度采集电路与聚酰亚胺电热膜加热装置, 构成了一个完整的闭环温度控制结构。软件方面, 采用Ziegier-Nichols工程整定方法对比例、积分、微分三个系数完成整定。针对被控对象结构复杂响应较慢引起超调量大问题, 采用积分分离比例-积分-微分控制算法, 使温度控制快速且无超调。利用该系统进行温度控制实验, 实验表明: 温度控制范围为18～42 ℃, 温度控制精度达到±0.08 ℃, 稳定时间位15 s,该系统具有精度高、响应快速、无超调的优点, 为激光气体同位素探测提供了可靠保障。
气体同位素检测 多通池 温度控制系统 积分分离PID控制算法 gas isotope detection multi-pass gas cell temperature control system integral separation PID control algorithm 红外与激光工程
2019, 48(8): 0805006
1 吉林大学仪器科学与电气工程学院, 国家地球物理探测仪器工程技术研究中心, 吉林 长春 130061
2 山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西 太原 030006
3 吉林大学电子科学与工程学院, 集成光电子学国家重点联合实验室, 吉林 长春 130012
4 吉林大学生物与农业工程学院, 吉林 长春 130022
根据乙烷气体分子在3.3 μm处的基频吸收特性, 使用中心波长为3.337 μm室温连续带间级联激光器(ICL)和有效光程为54.6 m密集光斑多通气体吸收气室(600 mL)研制了基于波长调制光谱技术(WMS)的乙烷传感器。 详细介绍了基于WMS和二次谐波(2f)探测技术的光谱吸收法气体检测原理, 给出了目标乙烷气体吸收线的遴选细节。 此项技术的使用减小了光功率漂移对系统的影响, 使得系统最低检测下限(MDL)和稳定性能得到提升。 结合原理框图, 通过光学和电学两个模块分别详细介绍了乙烷传感系统设计方案, 描述了自主研制的软、 硬件单元和商用仪器的使用及其型号供他人参考, 并给出传感器光学配置实物图。 而且, 为匹配激光波长调制与基于压力的吸收线宽, 对气压和调制深度进行优化, 研究了调制幅度对应2f信号峰值及调制幅度与调制深度的关系, 最终确定最优气压和调制深度分别为100 Torr和0.074 cm-1, 对应的调制信号幅度为~0.026 V。 此外, 基于优化后的气压和调制深度, 使用136.8 nmol·mol-1 乙烷标准气体进行了系统灵敏度估算。 详细介绍了ICL扫描调制信号、 锁相放大及数据采集单元的参数设置, 并给出示波器记录的扫描调制信号及2f信号波形图片。 通过对比DAQ采集的2f信号和背景噪声信号, 估算系统最低检测下限为33 nmol·mol-1。 最后, 使用9个不同浓度乙烷标准气体(20～400 nmol·mol-1)分别进行~5 min系统标定测试, 并列出了拟合曲线和拟合相关度等信息。 而且, 使用浓度为48 nmol·mol-1乙烷气体样品开展连续2 h系统稳定性测试并进行Allan-Werle 方差分析。 结果显示, 该系统工作稳定, 积分时间为4 s时, 乙烷气体检测灵敏度为~0.81 nmol·mol-1。 通过增加系统积分时间至63 s, 系统灵敏度可被提高至~0.36 nmol·mol-1。
乙烷 带间级联激光器 波长调制光谱 多反射气室 Ethane Interband cascade laser Wavelength modulation spectroscopy Multi-pass gas cell
河南师范大学 电子与电气工程学院, 河南 新乡 453007
提出了一种基于腔内带有低增益低噪声掺铒光纤放大器的光纤环形腔衰荡光谱技术测量湿度的方法, 并进行了实验证明.比较分析了光纤环形腔中有无掺铒光纤放大器对衰荡脉冲数量的影响.在掺铒光纤放大器中使用长度为2 m的低增益和低噪声掺铒光纤来减少波形失真并补偿腔内噪声衰减.利用光纤环腔衰荡光谱技术对空气相对湿度进行测量, 记录分析环形腔中光脉冲的衰减时间τ得到相对湿度的变化.结果表明: 相对湿度和衰减时间τ在相对湿度30%~100%的范围内满足良好的线性关系, 并且光纤环腔衰荡系统的灵敏度和线性拟合度分别为3.826 79 μs/RH和0.994 77.采用腔内带有低增益低噪声掺铒光纤放大器的光纤腔衰荡技术在工业检测、环境检测以及医学诊断等领域进行湿度测量将具有良好的应用前景.
光纤腔衰荡 低增益低噪声 掺铒光纤放大器 气体室 湿度测量 Fiber cavity ring-down Low gain and low noise Erbium-doped fiber amplifier Gas cell Humidity measurement
1 清华大学 精密仪器系, 北京 100084
2 北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院, 北京 100124
为了满足环境监测需求, 需要研制一种能够对挥发性有机化合物(VOCs)成分进行在线高灵敏度、高保真监测, 并适用于傅里叶变换红外光谱探测配备的气体吸收池, 采用光学追迹结合有限元分析的方法, 分别对气体池物镜夹持调节机构与光学整体结构固定方式进行优化设计, 较为有效地解决了在VOCs监测中气体池工作温度要求下光学器件形变校正的问题, 可优化80℃~180℃工作范围内的光能传输效率。给出了一种适用于VOCs气体特定温度条件下吸收池出射能量优化设计的方法, 并以此方法为基础, 设计加工了一型气体吸收池, 进行了热环境测试。结果表明, 该吸收池具备在80℃~180℃工作范围内稳定的传输效率, 能够应用到VOCs在线监测系统中进行测量。
光学设计 气体吸收池 VOCs在线监测 光学追迹仿真 有限元分析 optical design gas cell on-line volatile organic compounds sensing optical ray-tracing simulation finite element analysis
1 吉林大学, 集成光电子学国家重点联合实验室, 电子科学与工程学院, 吉林 长春 130012
2 吉林大学, 国家地球物理探测仪器工程技术研究中心, 仪器科学与电气工程学院, 吉林 长春 130061
根据一氧化碳（CO）气体分子在4.7 μm处的基频吸收特性, 使用中心波长为4.75 μm的量子级联激光器（QCL）和多反射气体吸收气室（MGC）设计了一种新型CO传感器。 该仪器使用可在室温脉冲方式下工作并具有热电制冷功能的QCL, 通过对其温度和注入电流进行调节, 最终使得出射光波长定位在CO基频吸收带的一根强吸收线（2 103 cm-1）。 与此同时, 使用有效光程为16米的新型MGC（40 cm长, 800 ml采样容积）和液氮冷却碲镉汞中红外探测器, 有效提高了系统的响应灵敏度。 此外, 系统中配合使用了参考气室和空间滤波光学结构, 有效地改善了入射光束的质量, 降低了由光源的不稳定而产生的噪声, 进一步提高了系统的检测灵敏度。 在实验室条件下对不同浓度的CO气体进行多次重复检测, 结果显示, 该仪器工作稳定, 按信噪比为1计算, 可实现对一氧化碳气体的检测下限为5 μmol·mol-1。
一氧化碳 量子级联激光器 多反射气体吸收气室 空间滤波 Carbon Monoxide Quantum cascaded laser Multi-pass gas cell Spatial filtering 光谱学与光谱分析
2016, 36(5): 1308
1 吉林大学, 集成光电子学国家重点联合实验室, 电子科学与工程学院, 吉林 长春 130012
2 吉林农业大学信息技术学院, 吉林 长春 130118
3 吉林大学, 国家地球物理探测仪器工程技术研究中心, 仪器科学与电气工程学院, 吉林 长春 130061
根据中红外光谱吸收原理, 利用甲烷（CH4）气体分子在7.5 μm处的基频吸收特性, 设计了一种基于量子级联激光器（QCL）和新型多反射长光程气体吸收气室（MPC）的甲烷气体传感器。 该仪器使用了可进行热电冷却、 工作在脉冲方式下、 中心波长为7.5 μm的QCL, 通过在室温条件下调节其注入电流（500 mA～1.6 A调节范围）, 其出射光波长可以扫过CH4（1 332.8 cm-1）气体吸收线。 同时使用了一种紧凑型MPC（40 cm长, 800 mL采样容积）, 使得系统有效总光程达到16 m。 此外, 系统中使用了参考气室, 并加入了空间滤波光学结构以满足MPC对入射光束的要求, 配合差分吸收光谱检测原理, 有效地改善了光束质量, 降低了由光源波动引起的噪声, 提高了仪器的检测灵敏度。 通过对不同浓度的甲烷气体进行多次检测, 该仪器的稳定性能良好, 按信噪比为1计算, 可实现对甲烷气体的检测下限为1 μmol·mol-1。
甲烷 量子级联激光器 多反射气体吸收气室 空间滤波 差分吸收 Methane Quantum cascaded laser Multi-pass gas cell Spatial filtering Differential optical absorption 光谱学与光谱分析
2016, 36(5): 1291
