留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于TDLAS的气体检测技术算法

贾军伟 李伟 柴昊 张书锋 张明志 崔鸿飞 刘敬敏 刘展

贾军伟, 李伟, 柴昊, 张书锋, 张明志, 崔鸿飞, 刘敬敏, 刘展. 基于TDLAS的气体检测技术算法[J]. 红外与激光工程, 2019, 48(5): 517007-0517007(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0517007
引用本文: 贾军伟, 李伟, 柴昊, 张书锋, 张明志, 崔鸿飞, 刘敬敏, 刘展. 基于TDLAS的气体检测技术算法[J]. 红外与激光工程, 2019, 48(5): 517007-0517007(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0517007
Jia Junwei, Li Wei, Chai Hao, Zhang Shufeng, Zhang Mingzhi, Cui Hongfei, Liu Jingmin, Liu Zhan. Gas detection technology algorithm based on TDLAS[J]. Infrared and Laser Engineering, 2019, 48(5): 517007-0517007(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0517007
Citation: Jia Junwei, Li Wei, Chai Hao, Zhang Shufeng, Zhang Mingzhi, Cui Hongfei, Liu Jingmin, Liu Zhan. Gas detection technology algorithm based on TDLAS[J]. Infrared and Laser Engineering, 2019, 48(5): 517007-0517007(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0517007

基于TDLAS的气体检测技术算法

doi: 10.3788/IRLA201948.0517007
基金项目: 

国家自然科学基金(11502004)

详细信息
    作者简介:

    贾军伟(1983-),男,高级工程师,硕士,主要从事力学、热学和气体检测方面的研究。Email:jiajunwei@cast514.com

  • 中图分类号: TN247

Gas detection technology algorithm based on TDLAS

  • 摘要: 可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术是一种具有高灵敏度、高分辨率的气体吸收光谱检测技术,具有响应快、精度高、单模特性优秀、通用性强等优势。TDLAS直接吸收法通过测量绝对吸收强度来计算待测气体温度和浓度,但容易受到颗粒物浓度、激光强度波动等影响。TDLAS波长调制法采用高频正弦信号对激光器进行调制,使得激光输出频率和强度同时受到调制,具有高信噪比和灵敏度的特点,但是需要通过标定实验或复杂的算法来确定气体参数。因此,通过吸收光谱理论和波长调制理论,推导出蕴含分子吸收信息的谐波通项表达式,并在此基础上分析谐波信号与待测气体绝对吸收强度之间的关系,建立了一种基于谐波信号的绝对吸收强度测量算法。以NH3分子在1 531 nm附近的谱线为例进行数值分析,发现调制幅度达到a=0.032 cm-1(调制系数m=2)时,仿真结果与理论计算结果(a=0)相对误差不超过2%,进一步验证了算法的可靠性与准确性。
  • [1] Wang Xuemei, Liu Shi. CO2 concentration measurement based on TDLAS[J]. Control and Instruments in Chemical Industry, 2016, 43(11):1158-1161. (in Chinese)
    [2] Reid J, Labrie D. Second-harmonic detection with tunable diode lasers-Comparison of experiment and theory[J]. Applied Physics B, 1981, 26(3):203-210.
    [3] Yuan Zhiguo, Yang Xiaotao, Xie Wenqiang, et al. Research on the online test of diesel NOx emission by TDLAS[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018, 38(1):194-199. (in Chinese)
    [4] Li Zhe, Zhang Zhirong, Sun Pengshuai, et al. Multi-point full range monitoring of methane based on TDLAS technology[J]. Infrared and Laser Engineering, 2017, 46(9):0917009. (in Chinese)
    [5] Xu Lijun, Liu Chang, Jing Wenyang, et al. Tunable diode laser absorption spectroscopy-based tomography system for on-line monitoring of two-dimensional distributions of temperature and H2O mole fraction[J]. Review of Scientific Instruments, 2016, 87:013101.
    [6] Li Meng, Guo Jinjia, Ye Wangquan, et al. Study on TDLAS system with a miniature multi-pass cavity for CO2 measurements[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018, 38(3):697-701. (in Chinese)
    [7] Liu J T C, Jeffries J B, Hanson R K. Wavelength modulation absorption spectroscopy with 2f detection using multiplexed diode lasers for rapid temperature measurements in gaseous flows[J]. Applied Physics B, 2004, 78:503-511.
    [8] Sun Lingfang, Yu Hong. Online multi-component gas concentration detection system based on TDLAS technology[J]. Instrument Technique and Sensor, 2017(3):73-77. (in Chinese)
    [9] He Xianglin, Pan Yonggang. The development status and application research of TDLAS technology[J]. Journal of Ezhou University, 2017, 24(1):102-104. (in Chinese)
    [10] Farooq A, Jeffries J B, Hanson R K. Sensitive detection of temperature behind reflected shock waves using wavelength modulation spectroscopy of CO2 near 2.7m[J]. Applied Physics B, 2009, 96(1):161-173.
    [11] Lan L J, Ding Y J, Peng Z M, et al. Calibration-free wavelength modulation for gas sensing in tunable diode laser absorption spectroscopy[J]. Applied Physics B, 2014, 117(4):1211-1219.
    [12] Stewart G, Johnstone W, Bain J R P, et al. Recovery of absolute gas absorption line shapes using tunable diode laser spectroscopy with wavelength modulation-part 1:theoretical analysis[J]. Journal of Lightwave Technology, 2011, 29(6):811-821.
    [13] Liu Y, Lin J, Huang G, et al. Simple empirical analytical approximation to the Voigt profile[J]. Opt Soc Am B, 2001, 18(5):666-672.
    [14] Lan Lijuan, Ding Yanjun, Jia Junwei, et al. Theoretical and experimental study of measuring gas temperature in vacuum environment using tunable diode laser absorption spectroscopy[J]. Acta Physica Sinica, 2014, 63(8):97-105. (in Chinese)
  • [1] 王彪, 鹿洪飞, 李奥奇, 陈越, 戴童欣, 黄硕, 连厚泉.  采用VCSEL激光光源的TDLAS甲烷检测系统的研制 . 红外与激光工程, 2020, 49(4): 0405002-0405002-7. doi: 10.3788/IRLA202049.0405002
    [2] 李唐安, 李世阳, 张家明, 孙轩, 郭荣静.  基于Goertzel算法的红外气体检测方法 . 红外与激光工程, 2019, 48(3): 304003-0304003(6). doi: 10.3788/IRLA201948.0304003
    [3] 李留成, 多丽萍, 周冬建, 王增强, 王元虎, 唐书凯.  基于TDLAS测量HBr化学激光器气体温度 . 红外与激光工程, 2019, 48(8): 805011-0805011(6). doi: 10.3788/IRLA201948.0805011
    [4] 卢伟业, 朱晓睿, 李越胜, 姚顺春, 卢志民, 曲艺, 饶雨舟, 李峥辉.  TDLAS直接吸收法和波长调制法在线测量CO2的比较 . 红外与激光工程, 2018, 47(7): 717002-0717002(6). doi: 10.3788/IRLA201847.0717002
    [5] 李盾, 宁禹, 吴武明, 孙全, 杜少军.  旋转相位屏的动态大气湍流数值模拟和验证方法 . 红外与激光工程, 2017, 46(12): 1211003-1211003(7). doi: 10.3788/IRLA201746.1211003
    [6] 高铁锁, 江涛, 丁明松, 董维中, 刘庆宗.  高超声速拦截弹绕流红外辐射特性数值模拟 . 红外与激光工程, 2017, 46(12): 1204001-1204001(8). doi: 10.3788/IRLA201746.1204001
    [7] 李哲, 张志荣, 孙鹏帅, 夏滑, 罗渊敏, 庞涛, 董凤忠.  利用TDLAS技术的多点甲烷气体全量程监测 . 红外与激光工程, 2017, 46(9): 917009-0917009(7). doi: 10.3788/IRLA201746.0917009
    [8] 刘高佑, 安宁, 韩兴伟, 董雪, 马磊, 范存波, 刘承志.  立方腔平均反射光程的研究 . 红外与激光工程, 2016, 45(11): 1118003-1118003(5). doi: 10.3788/IRLA201645.1118003
    [9] 刘家琛, 唐鑫, 巨永林.  微型红外探测器组件快速冷却过程数值模拟分析 . 红外与激光工程, 2015, 44(3): 816-820.
    [10] 常金勇, 强希文, 胡月宏, 宗飞, 李志朝, 封双连.  激光传输光束抖动效应的数值模拟 . 红外与激光工程, 2015, 44(S1): 46-49.
    [11] 戴毅斌, 樊玉杰, 李明尧, 刘晓宇, 蒋彭胜, 殷开婷.  多点激光微冲击成形的数值模拟研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(S1): 50-56.
    [12] 张金玉, 孟祥兵, 杨正伟, 王冬冬, 陶胜杰.  红外锁相法涂层测厚数值模拟与分析 . 红外与激光工程, 2015, 44(1): 6-11.
    [13] 周雷刚, 梁庭, 高利聪.  影响全天域光轴平行度检测精度因素分析 . 红外与激光工程, 2015, 44(11): 3413-3417.
    [14] 许兆美, 刘永志, 周建忠, 蒋素琴, 王庆安, 汪通, 洪宗海.  基于生死单元的激光铣削温度场数值模拟与验证 . 红外与激光工程, 2014, 43(6): 1755-1760.
    [15] 孙杜娟, 胡以华, 李乐.  气溶胶“沉降—扩散”联合动态数值模拟 . 红外与激光工程, 2014, 43(2): 449-453.
    [16] 陈林, 杨立, 范春利, 吕事桂, 石宏臣.  线性调频激励的红外无损检测及其数值模拟 . 红外与激光工程, 2014, 43(5): 1385-1389.
    [17] 周鑫, 金星.  谐波小波在TDLAS 信号分析中的应用 . 红外与激光工程, 2014, 43(6): 1722-1727.
    [18] 唐力铁, 于志闯, 赵乐至, 尹飞, 郭士波, 谈斌.  DF/HF化学激光器喷管总压损失的数值模拟 . 红外与激光工程, 2013, 42(5): 1194-1197.
    [19] 丁志群, 鲍吉龙, 赵洪霞, 章学首.  乙炔气体浓度的TDLAS在线监测 . 红外与激光工程, 2013, 42(4): 1015-1019.
    [20] 王莲芬, 赵选科, 左翔, 王金金, 孙红辉.  高斯激光束TEM00模散射信号模拟与分析 . 红外与激光工程, 2013, 42(11): 2940-2943.
  • 加载中
计量
  • 文章访问数:  622
  • HTML全文浏览量:  123
  • PDF下载量:  88
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-10
  • 修回日期:  2019-01-15
  • 刊出日期:  2019-05-25

基于TDLAS的气体检测技术算法

doi: 10.3788/IRLA201948.0517007
    作者简介:

    贾军伟(1983-),男,高级工程师,硕士,主要从事力学、热学和气体检测方面的研究。Email:jiajunwei@cast514.com

基金项目:

国家自然科学基金(11502004)

  • 中图分类号: TN247

摘要: 可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术是一种具有高灵敏度、高分辨率的气体吸收光谱检测技术,具有响应快、精度高、单模特性优秀、通用性强等优势。TDLAS直接吸收法通过测量绝对吸收强度来计算待测气体温度和浓度,但容易受到颗粒物浓度、激光强度波动等影响。TDLAS波长调制法采用高频正弦信号对激光器进行调制,使得激光输出频率和强度同时受到调制,具有高信噪比和灵敏度的特点,但是需要通过标定实验或复杂的算法来确定气体参数。因此,通过吸收光谱理论和波长调制理论,推导出蕴含分子吸收信息的谐波通项表达式,并在此基础上分析谐波信号与待测气体绝对吸收强度之间的关系,建立了一种基于谐波信号的绝对吸收强度测量算法。以NH3分子在1 531 nm附近的谱线为例进行数值分析,发现调制幅度达到a=0.032 cm-1(调制系数m=2)时,仿真结果与理论计算结果(a=0)相对误差不超过2%,进一步验证了算法的可靠性与准确性。

English Abstract

参考文献 (14)

目录

    /

    返回文章
    返回