激光法颗监测仪

激光痕量气体监测仪的新进展：性能和噪音分析（Recent progress in laser?based trace gas instruments: performance and noise analysis ，J. B. McManus M. S. Zahniser D. D. Nelson J. H. Shorter S. C. Herndon D. Jervis M. Agnese R. McGovern T. I. Yacovitch J. R. Roscioli， Appl. Phys. B (2015) 119:203–218）摘要我们用一些近来的数据回顾了使用中红外量子级联激光器，带间级联激光器和锑化二极管激光器的发展。这种监测仪主要用于高精度和高灵敏度测量大气中的痕量气体。在高性能软件的控制下，利用吸收光谱进行快速扫描，集成和高精度拟合。通过中红外波段，实现了出色的灵敏度。Aerodyne监测仪证明了在自然情况下痕量气体的测量精度达到1012级别，可实时测量CO2，CO，CH4，N2O和H2O的同位素。我们还描述信号处理方法，以识别和降低测量噪音。光谱信息分析的原理是将光谱加载到数组中并利用滤波片，傅立叶分析，多元拟合和成分分析进行处理。我们提供一个仪器噪音分析的实例，噪音是由电子信号与光干涉条纹混合形成。引言随着各种中红外单片固态激光器的问世，使用基于中红外激光仪器，对大气痕量气体的高精度测量已经成为常规，包括量子级联激光器（QCL），带间级联激光器（ICL）和基于锑化物的二极管激光器（TDL）。在3μm附近的波长范围内有缺口，但现在，设计人员有更多选择，在3μm附近的波长区域频率使用混合技术。在本文中，我们回顾Aerodyne Research，Inc.（下称ARI）公司使用中红外激光监测仪测量不同的痕量气体，并达到高灵敏度和/或高精度水平。这些仪器基于快速扫描和精确光谱拟合的直接吸收光谱，在高性能软件的控制下，在中红外波段，利用长光程，在减压情况下，通过热电冷却的激光和探测器实现出色的灵敏度。这里介绍了两种仪器：单激光仪器，光程长度最大为76 米；双激光仪器，光程长度最大为210 米。通过仔细选择波长，我们可以用单激光器同时测量多种气体。根据吸收率来说，仪器噪音在1 s的平均值为?5×106，可以测量1012级别大气中的气体]。这些仪器可以在多种环境中使用，包括实验室，偏远现场和移动平台（如卡车，轮船和飞机）。ARI公司仪器介绍及其性能一般来说，对于高浓度气体，几毫米的测量光程可能就足够了；但对于痕量气体来说，则需要数百米光程。Aerodyne气体监测仪仪器使用中红外快速频率扫描，直接吸收光谱并进行精确光谱拟合。仪器在减压池中利用较长吸收光程的新型红外激光源，对多种气态分子提供灵活而直接的高精度测量。光谱仪的基本配置比较简单：首先是激光源，然后是多反腔，最后是探测器。图1显示了这种装置。多反腔有确定的路径长度，符合标准的激光可以传输到检测器，对样品气体的测量基于比尔-兰伯特定律。在许多情况下，激光扫描气体出现多个吸收峰，从而测量多个不同气体。让两道或更多激光通过吸收室，或者使用单个检测器时分复用，可以测量更多的气体。Aerodyne监测仪尽可能使用反射光学元件，光学系统几乎没有色散。通过选择不同波段激光和激光驱动，选择峰值灵敏度不同的检测器来匹配，测量给定单一气体或一组气体。对于不同的测量目的，选择不同的吸收光程。一般多反腔的光程为7–76 米，一般使用宽带透镜；对于浓度非常低的气体，210米光程的窄带高反射率透镜可以提高灵敏度。仪器的优化在过去的几年中，我们持续对仪器进行了改进，比如使用了新型的电流驱动器，它提供了QCL高顺从电压情况下的低噪音电流。我们还设计了低噪音激光驱动和其他电子设备，降低整个系统的噪音。使得平均1s采样情况下，吸收噪音为?5×106，在均时100 s具有更高的精度，这相当于约5×10-7的最终吸收噪音。很多因素使得噪音超过检测器限度，特别是窄带电子噪音和光学干涉条纹。中红外激光微量气体仪器由Aerodyne Research，Inc.生产的操作软件“ TDLWintel”控制，让每条激光可以设置为时分复用。TDLWintel可控制监测仪的操作并实时处理数据。两种激光电流斜率由TDLWintel定义，然后对检测到的信号采样（16位A / D在?1-1.5 MHz下运行），同步求平均，基于HITRAN参数以及测得的温度和压力的曲线，与计算出的吸收值拟合，可以对多达16种气体混合比实时记录。数据可以以10 Hz采样频率记录，最大有效数据率由泵抽速和吸收池的大小决定。实验过程中一些情况，比如阀门开关或背景消减，也可由TDLWintel软件控制。我们展示了单激光（76米光程）和双激光监测仪（76米或者210米光程）的气体测量噪音结果（平均1s），分别在表1和表2中，测量噪音为以空气中的混合比表示，同时提供了噪音的不确定性。根据不同的吸收路径和测量情况，吸收噪音最佳的结果在1s内约为?5×106。仪器适用在各种环境中，无论是在实验室还是在野外实验中。野外现场包括偏远位置或在移动平台（例如轮船，卡车和飞机）上。我们在最近20年在许多野外现场使用过这些仪器。在过去的几年中，Aerodyne “移动实验室”已配备了多种气相仪器（单激光和双激光监测仪）以及测量颗粒物和较重的有机化合物配套仪器。如测量天然气中的甲烷排放，或者测量两种气体示踪物（例如，亚硝酸盐氧化物和乙炔），移动实验室可以直接开到附近，测量示踪气体以及甲烷。另外，通过测量乙烷（常见天然气的成分），我们可以区分来自天然气设施的甲烷和来自生物来源的甲烷。仪器的噪音分析 了解测量噪音源对于保持仪器性能水平至关重要，通常将重点放在最终的噪音源分析和讨论上，例如探测器噪音，激光噪音或散射噪音。其他噪音源，统称为“技术噪音”，可能来自光学和电子方面，并可能是噪音的主要来源。而在在短时间尺度上的噪音可能是更长的时间范围的漂移。不同的噪音源可能表现出不同的功率谱密度（PSD），例如检测器噪音，而Johnson噪音通常具有平坦的PSD（即白噪音），而激光噪音会表现出闪烁噪音（1 / f PSD）。噪音可能会在频谱中产生随机波动，或者它可能具有窄带频率。另一个复杂因素是信号处理算法对噪音信号的响应。对于Aerodyne，混合比噪音是对噪音信号，以及压力和温度变量中多元拟合的结果。了解和减少噪音的第一步是使用Allan–Werle方差工具分析混合比噪音图（方差作为平均时间的函数）以及功率谱，并将噪音划分类型。Allan-Werle方差工具是一种通用工具，可以评估短时噪音和平均时间极限。按类型划分噪音有助于指示其来源。三种常用噪音包括是暗噪音，轻噪音和成比例噪音。 “暗噪音”（即，在检测器被堵塞的情况下报告的混合比）包括检测器噪音，基本电子（Johnson）噪音以及其他多余的电子噪音。“轻噪音”（正常光照水平但吸收深度很小）包括所有暗噪音加激光噪音（1/f，即闪烁噪音和散射噪音），激光驱动电流噪音（产生幅度波动）和干涉条纹的变化。 “比例噪音”（吸收深度较大时看到的多余噪音）包括激光驱动电流噪音，压力和温度噪音以及峰值位置运动结合调谐率误差。频谱数组处理将频谱分解为许多部分，并显示出较多变量。通常应用于频谱数组的处理工具包括减去偏移量，平均值，拟合度，统计量度，变量[p]，[q]或这两者的傅立叶变换，相关性，和主成分分析。尽管有很多处理的实例，但是很难提出一个通用的分析方法，帮助我们了解所看到的一切。即使我们“解剖”光谱并找到大的干涉条纹，这不一定意味着干涉条纹是多余噪音的来源，比如干涉条纹不动或它们的频率太高而无法影响拟合。为了确定，我们需要确定导致多余的噪音因素，该因素的短期波动应与混合比的波动匹配。我们通过一个噪音分析的例子说明了分析过程。结果表明，多余噪音是由两种波的混合，即光学干涉条纹和电子信号混合导致的，产生的低频成分，明显影响混合比的测定，而任一单一波则对结果几乎没有影响。结论 我们对当前Aerodyne Research，Inc.生产的微量气体激光测量仪器进行了综述。提供了一组气体，以及同位素比的测量结果。仪器在性能上的改进包括降低了电源和激光驱动噪音。另外，制造工序变得更加精简。目前吸收噪音在1s内达到?5×106。然而，为获得最佳性能，仍然需要对噪音做进一步的探索。本文中的实例显示，多余噪音是由两种波的混合，由光学干涉条纹和电子信号混合导致。仪器的相关优势1. 持续对仪器的改进及噪音的分析，测量痕量气体的精度更高，测量气体达到ppt级别，甚至在10Hz的频率仍然保持极高的精度；2. 一次同时测量多种气体，消除了多台仪器测量时气体产生的系统误差并大大提高效率；3. 仪器适用于多种环境，满足实验室测量，野外远程测量和移动测量需求。 欲了解该产品的更多特点，欢迎咨询联系澳作生态仪器有限公司

上世纪七十年代初，PLDMC公司将激光颗粒检测技术成功应用于油液监测领域。历经40多年的发展壮大，当前的激光颗粒检测技术已经成为一门新兴的实验性前沿交叉学科。激光颗粒检测技术在广泛的实际应用中显示出强大的生命力，并为航天、航空、航海、液压、传动、工程机械和各类制造业提供了有力的保障。而谈到激光颗粒检测技术，就不得不谈到被称为激光颗粒检测技术创始者和领导者的PLDMC公司。　　PLDMC一直以创新的激光颗粒检测技术为导向，拥有世界激光颗粒检测技术研发领域的尖端技术，其新产品曾多次荣获技术创新大奖，各国国防部和航天事业局的指定油液监测设备。　　实验室激光油液颗粒计数系统学科带头人JOHN博士谈激光颗粒检测技术发展历程与趋势　　据JOHN博士介绍，油液污染的起因和对工作造成的危害，众所周知，飞行器源于早期六十年代，液压技术和元器件及系统得到有效地提升，可靠性越来越受到广泛关注，固体颗粒污染成为各系统普遍存在的污染物，油液污染一直以来困扰各国航天、航空事业，故障率高居不下，由此引起了相关技术行业的关注。新产品、新技术被人们接受、认可以及市场的拓展等需要一定时间，而PLDMC为了激光颗粒检测技术与仪器的发展，付出了大量的努力和心血 如70年代，PLDMC耗巨资推出第一代油液颗粒监测设备，并与相关机构就检测标准的开展迈出了漫长的研究之路。　　PLDMC公司通过近40年时间的努力，使激光颗粒检测仪器从‘无人问津’到今天的‘家喻户晓’。截止目前，PLDMC在全球已拥有近十八万家用户，销售总额约占世界激光颗粒检测仪器市场的75%。PLDMC公司的发展历程也可以说是激光颗粒检测仪器与技术的发展历程。　　颗粒检测技术“革命性”的飞跃　　行业不断拓展，颗粒检测技术得到广泛应用，在90年代形成“过滤称重法”、“过滤显微镜法”和“激光颗粒检测法”，并通过美国宇航协会、国际标准化组织、英国汽车工程师协会等一批世界顶级相关组织的积极参与，形成了“NAS 1638 Cleanliness Requirements of Parts Used in Hydraulic Systems-Rev”、“ISO 4406-1999 液压传动 油液固体颗粒污染等级代号法”、“JIS B 9932-2003Hydraulic fluid power -- Calibration of automatic particle counters for liquids”、“BS ISO 11171 Hydraulic fluid power Calibration of automatic particle counters for liquids”、“ISO 11500 hydraulic fluid power-determination of particulate contamination by automatic couting using the light extinction principle”、“ISO 5884 Aerospace-Fluid systems and components - Methods for system sampling and measuring the solid particle contamination of hydraulic fluids ”等众多的相关标准。　　普洛帝测控“创造性”的巨变　　90年代PLDMC出售其赖以自豪的“水质检测事业部”和“密度监测事业部”，重点将激光颗粒检测技术保持发展。从第一代最基本的检测技术，发展至2009年的第六代产品，其中的困难和艰辛让业内为止震撼。JOHN博士非常感慨一路走来的艰辛，曾经经历了初创、发展、鼎盛和彷徨时期，技术和利润成为企业发展的制约难题。自99年以来普洛帝中国事业部的销量受到总部的热切关注，并为普洛帝中国大发展做出详尽的计划，2005年普洛帝东南亚大区及普洛帝测控中国公司的成立使其在总部的地位尤为重要，一系列的投资计划和发展战略开始运作，现已形成北京、西安、上海和深圳四个服务区域和六个发展单位(五个运营实体，一个非盈利基金—油液颗粒监测研发基金，截止2010年6月累计发放基金120万人民币)。　　普洛帝测控“务实性”的未来　　2009年普洛帝中国良好的表现得到各股东的赞誉，普洛帝中国服务中心及其6个发展单位为PLDMC在中国及东南亚的发展制订“务实性”的战略计划，计划在08年组装工厂成立的基础上将加大在中国的投资，建成以上海为研发基地、西安变更为生产基地、深圳为贸易进出口基地和北京为总部基地的新格局，将继续和中国的航天、航空、兵工、船舶各行业合作伙伴深入合作，形成创新型伙伴结盟关系，同时加大对非盈利基金的投入，并推广至多个行业，提升中国的油液颗粒监测技术的发展。　　PLDMC公司介绍链接：　　普洛帝 PLDMC公司在全球范围内研发、生产、销售工业测量产品，并致力于提高生产质量、加强环境保护以及安全高效经济的工业测控。　　普洛帝PLDMC公司的主要客户群为世界各国的石油、化工、能源、民航、国防、铁路、机械等组织，以及各研究机构、监督商检、公用事业以及各种工业领域，其石油测量技术居于世界领先地位。　　随着普洛帝在中国服务的不断提升，能更好地为客户提供各类服务，并加强本土化运作的能力，普洛帝目前在西安航天城建有研发&生产基地。为中国及东南亚广大客户提供普洛帝精湛的测控技术，解决各类客户的测控难题!　　服务领域的优势能力：颗粒计数器、颗粒度计数器，油液颗粒度分析仪，石油仪器，实验室设施

日前，航天科工203所研发了激光甲烷监测系列产品，广泛应用于城市燃气安全隐患排查治理，为燃气巡检和泄漏检测提供最有力保障。　　近年来，国内燃气事故多发频发，引起广泛关注。现代城市地下管线密布，使城市面临着诸多挑战。地下燃气管线作为保障城市运行的生命线，因被破坏外损而导致燃气管线泄露、火灾等事故时有发生，严重影响了城市正常运行秩序和人民群众生命财产安全。　　城市燃气管道关系千家万户生活和生产，燃气泄漏致使相邻地下空间爆炸，是城市无法回避的痛点。如何实现城市燃气管网的实时安全监控，也成为摆在人们面前的一个难题。 航天科工203所研发的手持激光甲烷检测仪，可实现甲烷气体的远程遥测，它适用于各类甲烷可能泄露的场所，尤其适合架空管线、狭窄空间、居民厨房等存在燃气泄漏风险，但因距离、障碍物等原因导致巡检人员无法接近的场合。过去都是近距离泵吸式抽样检测，在地下管道封闭空间，抽取采样后通过催化燃烧式探头分析检测。激光甲烷检测仪是无接触的，采用物理性光学检测，检测距离可达150米，检测距离远、速度快、精度高。　　激光甲烷遥测云台，可对燃气场站的各种设施进行24小时不间断扫描检测，加大场站的安全监控力度，提高安全管理高度，系统具备高稳定性、高可靠性、高使用寿命，能够实现场站的无人值守。激光甲烷遥测云台装设在立杆和墙面上，可对场站实现360度无死角监控和检测。配备的视频摄像头具有智能分析功能，当视频摄像头检测到火焰、烟雾时会提前报警。　　激光甲烷遥测云台可用于调压站场区、化工园区、 锅炉房、矿井中等区域，检测气体只针对于甲烷，不会产生误报和中毒现象。此外，还具有星光级红外夜视系统和定位实时校准等功能。智能激光甲烷遥测云台采取激光束的面式扫描，灵敏度高，由被动监测变为主动式实时在线监测，是原有天然气泄漏监测的重要补充，提高了天然气泄漏隐患自动化防控能力。 目前，203所研发的系列燃气监控设备等系列化产品，在北京、珠海、济南等多个区域，在燃气、石油等行业广泛应用，保障了人们的生命和财产安全。