1 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 230031
3 南华大学核科学与技术学院, 湖南 衡阳 421001
便携式近红外光谱仪现场快速检测是近红外光谱分析领域的一个重要的发展趋势。 为了实现快速检测, 便携式近红外光谱仪一般不配备温控装置, 因此环境温度的变化会带来较大的测量误差。 如何降低环境温度对检测结果带来的误差, 是便携式近红外光谱仪在现场快速检测领域大规模推广所需要解决的一个重要问题。 柴油的凝点值是评价柴油品质和适用范围的一个重要指标, 对柴油凝点进行快速检测有重要的经济意义。 通过便携式光谱仪采集了50种具有不同凝点的柴油样品在近红外波段(950~1 650 nm)的吸收光谱, 研究了环境温度变化下的基于近红外光谱分析的柴油凝点快速检测方法。 此光谱仪为基于数字微镜设计的便携式光谱仪, 针对现场快检而研发, 未配备温控样品池。 在环境温度T0=25 ℃时基于偏最小二乘法建立了柴油凝点的预测模型, 并分别将不同环境温度(TE=-10, 0, 10, 20, 30, 40和50 ℃)条件下测量的近红外光谱带入上述凝点预测模型, 分析预测偏差随环境温度相对参考值变化(TE-T0)的依赖关系。 通过一次函数对预测误差随环境温度的变化关系进行拟合, 发现凝点预测偏差的平均值随环境温度的变化关系为Δc=-0.019 8(TE-T0)。 将环境温度的修正因子带入25 ℃条件下预测模型, 建立了针对环境温度变化的温度修正模型。 在温度修正以后, 10 ℃条件下预测凝点的均方根误差由原来的14.6降为8.8, 相关系数由原来的0.4提升为0.7。 研究表明, 本温度修正模型可以有效降低环境温度对预测结果带来的误差。 基于此温度修正模型, 可以显著降低近红外光谱分析建模过程的工作量, 在某一特定温度条件下建立预测模型后将此温度修正项带入模型即可用于在其他环境温度条件下进行柴油凝点值的预测, 而不需要在其他多个温度条件下分别建立预测模型, 可显著提高建模效率和便携式近红外光谱快速检测的温度适应性。
便携式近红外光谱仪 温度修正 偏最小二乘法 柴油凝点 Portable near infrared spectrometer Temperature compensation model Partial least square method Condensation point of diesel 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3111
利用红外热像仪测温需先设定被测表面的法向发射率，该发射率通常为定值。而当热像仪处于被测点的天顶角大于 50.的位置范围时，由于被测点定向发射率的变化，必造成这些点的测温误差。对于非平表面，这样的点大量存在。因此，必须对其测温结果进行修正。本文针对使用单目红外热像仪测量非平表面温度时由于各点定向发射率的变化引起的测量误差进行研究，并依据物体表面定量发射率的变化规律，给出了测量点的温度修正系数。同时，通过点云三维建模，利用热像仪的几何成像原理推导出红外热像图与实际被测表面中点与点的对应关系，给出了通过红外热像仪测量非平表面的温度分布的误差修正方法。实验证明了该方法的有效性。
红外无损检测 红外热像仪 测温误差 温度修正 非平表面 thermographic non-destructive inspection, infrared
1 华南理工大学电力学院，广东 广州 510640
2 广东省能源高效低污染转化与工程技术研究中心，广东 广州 510640
3 广东红海湾发电有限公司，广东 汕尾 516626
可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术利用了半导体激光器可调谐和窄线宽的特性，具有高选择性和高灵敏度，可以在气体成分复杂、高温等恶劣环境下准确测量CO2。基于TDLAS的扫描波长直接吸收（SDAS）技术是常用的气体浓度反演方法，针对该方法反演气体浓度时采用的吸光度积分法需要准确获得频域信息，从而导致系统结构复杂的问题，本文提出了基于直接吸收峰峰值标定的气体浓度反演方法。首先利用HITRAN2016光谱数据库建立CO2数值仿真模型，并参考电厂尾部烟道内高温和高浓度的CO2环境，分析了吸收峰峰值随浓度（10%~20%）和温度（298~338 K）的理论变化规律，然后将理论规律作为建立实际吸收峰峰值浓度标定模型和温度修正曲线的参考依据。通过搭建基于TDLAS的CO2检测实验系统，验证了所提方法应用于浓度测量的可行性。研究结果显示，采用峰值标定法反演得到的CO2浓度的相对误差均方值为1.08%，验证了利用吸收峰峰值标定的气体浓度反演方法在高浓度CO2准确测量方面的可行性。
光谱学 可调谐半导体激光吸收光谱 直接吸收 吸收峰峰值 浓度反演 温度修正 激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0330002
1 中国科学院上海光学精密机械研究所微纳光电子功能材料实验室, 强激光材料重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
样品温度变化会对模型预测结果产生影响, 为解决这个问题, 首先, 对同一样品不同温度下的光谱与同一样品相同温度的光谱进行了比较。 结果显示, 不同温度下的光谱差异较大。 然后研究了样品温度对玉米粗蛋白模型的预测结果的影响, 对随机选取的粗蛋白含量为6.04%的样品不同温度采集光谱, 对这些光谱进行预处理消除温度之外的因素对光谱的影响, 将预处理后的光谱代入已建立好的模型中进行预测, 结果显示, 预测结果与实测值之间的差别随着光谱温度与建模温度相之间差别的增大而增大, 最大的误差为1.12%。 为了解决温度对模型预测结果的影响, 进而分析了温度与不同温度下的光谱数据之间的关系, 发现在去除了光谱两端噪声较严重的区域后, 不同温度下, 同一波长点处的光谱数据之间存在一定的线性关系。 依据这一发现, 文中提出了温度修正理论, 以建模时的光谱为基准光谱, 然后根据温度与光谱之间的线性关系使用线性回归算法对不同波长点的光谱进行一元线性回归, 求出不同温度下的光谱与基准光谱之间的差, 最后将不同温度下的光谱校正为基准光谱, 通过该理论对光谱进行校正之后, 不同温度下的同一样品的光谱之间的差别和修正之前相比已经有了很大改善, 将修正后的光谱代入模型, 大部分预测结果得到了提高, 符合国家标准±0.5%以下的要求。 最后使用和建模无关的34个不同含量的样品对该温度修正理论进行验证, 光谱修正前后粗蛋白的模型预测值与标准理化值决定系数分别为0.910和0.982, 均方根误差分别为0.558和0.172, 平均相对误差分别为6.05%和1.75%。 该温度修正理论从近红外光谱分析的本质上进行了温度修正, 为其他样品的温度修正提供了参考, 有利于手持式近红外光谱仪使用的推广。
近红外光谱法 温度修正 线性回归 粗蛋白测量 Near-infrared spectroscopy Temperature correction Linear regression Crude protein measurement 光谱学与光谱分析
2020, 40(6): 1690
1 北京空间机电研究所，北京 100094
2 中国空间技术研究院天基空间目标监视技术核心专业实验室，北京 100094
针对 GF-5全谱段光谱成像仪热红外谱段存在响应异常、辐射定标精度难以保障的问题，开展了地面辐射定标补充试验，发现热红外谱段响应对仪器内部温度、焦面温度变化敏感是导致异常现象的主要原因。进一步对 相机输出信号值随仪器内部温度、焦面温度变化规律进行了分析总结，提出了基于仪器温度、焦面温度修正的绝对辐射定标算法，成功应用于全谱段光谱成像仪热红外谱段的实验室绝对辐射定标，结果表明定标不确定性为 1.36%。
高分五号 绝对辐射定标 热红外遥感 HgCdTe探测器 温度修正 GF-5, absolute radiation calibration, thermal inf
1 江南大学 理学院, 江苏 无锡 214000
2 江苏省轻工光电工程技术研究中心, 江苏 无锡 214000
3 无锡尚德太阳能电力有限公司, 江苏 无锡 214000
为了克服传统氙灯太阳模拟器成本高、寿命短、功耗大等缺点, 提高太阳电池测试的准确性, 本文首先设计了一种基于11种波段的LED太阳模拟器, 在光谱匹配度、不均匀度和不稳定度上均达到IEC60904-9-2007规定的A级标准。在此基础上, 开发了配套的太阳电池测试系统, 经过光源控制、数据处理、温度修正以及参数计算, 得到太阳电池的电特性参数。实验结果表明, 系统可以准确测得单晶硅太阳电池片的各项参数, 且结果稳定, 从而验证了光源的可靠性及测试方法的科学性。
太阳模拟器 测试 温度修正 solar simulator LED LED test temperature calibration
1 安徽建筑大学 机械与电气工程学院, 安徽 合肥 230601
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
随着工业化进程加快, 大气污染监控已受到广泛关注, 为实现工业过程痕量气体浓度的准确监测, 采用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)搭建了气体浓度在线监测系统, 并以LabVIEW为软件开发平台完成了可视化界面。重点设计了数据处理功能及浓度反演算法, 通过同步获取的环境压力参数对特征吸收光谱的有效拟合范围进行修正, 提高吸光度信号的准确性, 再通过读取的环境温度参数修正气体吸收线强以获得精确的浓度结果。将该系统应用于高温氨浓度在线测量实验中, 获得高温不同压力下的氨气浓度测量结果。实验结果表明, 在500 K温度下, 不经过压力、温度参数修正的最大氨浓度反演偏差为18.81%, 通过参数判断后再进行光谱提取和修正, 得到浓度最大偏差为3.96%。该系统能够准确反演不同环境参数(压力、温度)下的气体浓度, 实现了工业高温现场气体的实时、精确在线测量。
激光吸收光谱 氨气 压力 温度修正 laser absorption spectroscopy ammonia pressure environmental parameter modification LabVIEW LabVIEW
1 华南理工大学电力学院, 广东 广州 510640
2 广东省能源高效清洁利用重点实验室, 广东 广州 510640
3 广东省特种设备检测研究院顺德检测院, 广东 佛山 528300
可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术测量CO2浓度时, 由于测量氛围温度变化的影响引起气体吸收谱线的线强和线型发生变化, 最终导致浓度测量存在较大误差。 为了克服温度变化对浓度测量的影响, 选用中心波长在1 580 nm的DFB激光器, 基于直接吸收法, 模拟电厂尾部烟道内的高浓度二氧化碳气体环境, 研究了在常温(298 K)和变温(298~338 K、 间隔10 K)不同温度工况下CO2浓度的测量。 结果显示, 常温浓度测量的最大相对误差为-5.26%, 最小相对误差为1.25%, 相对误差均方值为3.39%, 验证了TDLAS测量系统在常温下有着良好的测量精度和稳定性, 但其在变温测量时浓度测量结果误差较大, 其最大相对误差已经超过25%。 为了修正温度变化对浓度测量结果的影响, 适应工业测量的需要, 在变温测量基础上利用最小二乘法拟合出测量系统在不同温度下的浓度与气体吸收的修正关系式。 经过修正后, CO2浓度测量的相对误差降到5%以下, 相对误差均方值降到3.5%以下。 修正结果表明, 所提出的修正方法可以有效抑制温度变化对浓度测量结果的影响, 显著提高了测量系统在变温环境下的测量精度和稳定性, 为TDLAS系统测量CO2浓度的现场应用提供了理论支持和技术保障。
可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS) CO2浓度 温度修正 最小二乘法 直接吸收法 Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS CO2 concentration Temperature correction Least square method Direct absorption method 光谱学与光谱分析
2018, 38(7): 2048
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
水的近红外吸收光谱受温度影响较大, 采用近红外光谱法对水溶液样本进行成分测量时, 温度的影响不能忽视。 特别对于葡萄糖这种弱吸收成分, 温度的微小变化会对其测量精度造成较大影响。 实验发现葡萄糖水溶液在30 ℃附近时, 温度每变化1摄氏度, 在1 160 nm处溶液的吸光度变异系数约0.344 7%, 这个变化约相当于500～600 mg·dL-1葡萄糖浓度引起的溶液吸光度变化量。 将近年来发展的几种化学计量学方法用于温度扰动下葡萄糖水溶液的光谱修正, 以提高葡萄糖测量精度, 具体包括广义最小二乘加权法(GLSW)和外部参数正交化方法(EPO)。 对不同温度的葡萄糖水溶液样品在900～1 350 nm的光谱进行采集, 测试了两种方法对温度变化后光谱的修正效果, 考察了修正后光谱的葡萄糖预测误差, 并与传统的考虑温度变量的多变量回归方法—偏最小二乘(PLS)回归法进行了比较。 结果表明, GLSW和EPO方法对不同温度下的溶液光谱有好的校正效果, 不同温度下溶液光谱的变异系数得到显著改善, 同时两种方法在模型复杂性、 温度修正效果等方面都优于传统方法。 研究可推广到其他水份含量较大的样品测试场合, 也对人体组织中的葡萄糖测量有借鉴价值。
近红外光谱法(NIR spectroscopy) 外部参数正交化（EPO） 广义最小二乘加权（GLSW） 葡萄糖测量 温度修正 Near-infrared spectroscopy External parameter orthogonalisation (EPO) Generalizedleast squares weighting (GLSW) Glucose measurement Temperature correction 光谱学与光谱分析
2017, 37(11): 3391
1 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
氟化氢（HF）是变电站气体绝缘开关进行故障诊断的重要特征气体之一, 因此HF气体的高测量精度, 快速响应, 实时在线检测的方法是工业和环境领域的研究重点之一。 结合激光吸收光谱技术和蒙乃尔钢材加工的耐腐蚀多次反射池搭建HF检测实验系统; 分析了HF气体在不同温度下的激光吸收光谱特性, 根据HITRAN数据库的HF气体配分函数系数得到配分函数曲线和吸收线强曲线; 在研究工作中重点设计了结合激光光谱解析和温度参数修正的浓度反演算法以实现气体浓度的准确检测; 结合多次反射吸收池的温度特性利用不同浓度配比的HF样气得到连续实验结果。 多次反射池加热后并稳定工作在313和323 K时, 温度修正前浓度反演的最大相对误差分别为5.33%和5.87%, 温度修正后浓度反演的最大相对误差分别为1.20%和1.47%。 通过连续检测和计算, 系统在323K时HF检出限为8.7×10-5 mmol·mol-1, 高于290K时的检出限6.3×10-5 mmol·mol-1(20 m光程)。 尽管高温环境下温度修正后的检测误差大于室温情况, 但是同一高温下温度修正后的检测误差仍低于未经过温度修正的值。 通过该研究证明了本浓度反演算法工作稳定、 可靠, 可以满足化工生产现场HF实时监测的需求, 对于我国工业HF气体的安全排放监管和环境保护起有效的技术支持。
激光吸收光谱 温度修正 浓度反演算法 多次反射池 氟化氢 Laser absorption spectroscopy Temperature correction Concentration inversion algorithm Multiple reflection cell Hydrogen fluoride
