甲烷是一种无色、 无味、 易燃、 易爆的气体, 不仅造成煤矿作业的重大安全隐患, 而且又是温室效应的重要气体之一, 对于甲烷气体的监测具有极其重要的意义。 采用混合可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)与波长调制光谱(WMS)的检测技术, 利用甲烷的2v3(第二泛频带)带R(3)支带吸收谱线, 设计并研制出痕量甲烷气体检测仪。 通过调谐系数-0.591 cm-1·K-1, 采用改变DFB激光器工作温度的方式来获得甲烷在1.654 μm处的最佳吸收谱线。 待DFB激光器激射中心谱线选择后, 通过调节其注入电流幅值来获得合适的发光强度。 同时, 结合频率调制技术将待测信号频率移至高频区, 减小1/f噪声。 在光学结构方面, 采用有效光程为76 m的herriott气室, 确保对痕量甲烷气体进行检测。 利用该痕量甲烷气体检测仪, 在被测气体浓度为50～5 000 μmol·mol-1的范围内, 对二次谐波信号进行了提取, 并利用最小均方误差准则分别对气体浓度、 信噪比的关系、 谐波峰值信号与气体浓度的关系进行了线性拟合, 最低检测限达到了1.4 μmol·mol-1。 实验表明, 谐波波形对称性良好, 未观察到强度调制现象, 消除强度调制等因素对谐波检测的影响。

随着地震断裂带气体观测技术的快速发展, 为了对地震进行精确的预报, 减少因地震给人民群众生命和财产带来的损失, 根据甲烷气体的释放与地震前上地壳岩石的微裂隙有直接关系的这一微观变化, 设计并研制中红外痕量甲烷气体检测仪。 仪器采用激发波长为7.65 μm的量子级联激光器(QCL), 结合双光路长度为76 m的多次反射herriott长光程气体吸收池, 可以在4 s的采样时间内实现40 nmol·mol-1气体检测灵敏度。 同时, 采用半导体激光器频率调制直接光谱吸收技术, 降低了该仪器噪声的主要来源1/f噪声, 使气体检测下限达到5 nmol·mol-1 (40 s采用时间)。 在野外实验中, 利用可控震源车作为模拟地震源, 将6个痕量甲烷检测仪以100 m为距离等间隔放置, 对距震源中心不同距离下的地表面甲烷气体浓度进行动态测量。 实验表明, 该仪器可以监测地震前地下痕量甲烷气体的释放, 为地震前兆预警提供新的途径。

一种具有高稳定性和高敏感度的紧凑型仪器, 能精确、 实时、 实地连续测量和显示环境空气中的痕量甲烷(CH4)浓度。 仪器采用了已集成热电制冷器激射波长为7.5μm的法布里-珀罗量子级联激光器(QCL)在室温脉冲工作模式下的最新技术, 以覆盖CH4位于ν4附近基频特征吸收谱带。 同时, 采用高品质液氮制冷碲镉汞中红外探测器, 配合全反射镀金椭球反射镜一同使用, 在20 cm单路径开放式光路吸收气室环境下, 确保被测甲烷气体浓度为200 μmol·mol-1的实验条件下保持稳定度高达5.2×10-3。 此仪器所集成的软件算法通过时间鉴别电子技术实现对QCL控制, 能够在无需校准的情况下, 提供连续痕量甲烷气体检测。 实验表明, 仪器可以用于环境监测中的实地痕量气体测量, 并且操作人员可以通过替换在不同波长下运行的QCL来测量其他气体。