c 在这里是光速，x 、y 和z 是空间的坐标，t 是时间的坐标，u (x ,y ,z )是描写光的函数，下标表示取偏导数。在空间固定的一点（x 、y 、z 固定），u 就成为时间的一个函数了。通过 傅里叶变换我们可以获得每个波长的振幅。由此我们可以得到这个光在每个波长的强度。这样一来我们就可以从波动方程获得一个光谱。 但实际上要描写一组光谱到底会产生什么颜色，我们还的理解视网膜的生理功能才行。 亚里士多德就已经讨论过光和颜色之间的关系，但真正阐明两者关系的是艾萨克·牛顿。约翰·沃尔夫冈·歌德也曾经研究过颜色的成因。托马斯·杨1801年第一次提出三元色的理论，后来赫尔曼·冯·亥姆霍兹将它完善了。1960年代人们发现了人眼内部感受颜色的色素，从而确定了这个理论的正确性。 人眼中的锥状细胞和棒状细胞都能感受颜色，一般人眼中有三种不同的锥状细胞：第一种主要感受红色，它的最敏感点在565纳米左右；第二种主要感受绿色，它的最敏感点在535纳米左右；第三种主要感受蓝色，其最敏感点在445纳米左右。杆状细胞只有一种，它的最敏感的颜色波长在蓝色和绿色之间。 每种锥状细胞的敏感曲线大致是钟形的。因此进入眼睛的光一般相应这三种锥状细胞和杆状细胞被分为4个不同强度的信号。 因为每种细胞也对其他的波长有反映，因此并非所有的光谱都能被区分。比如绿光不仅可以被绿锥状细胞接受，其他锥状细胞也可以产生一定强度的信号，所有这些信号的组合就是人眼能够区分的颜色的总和。 如我们的眼睛长时间看一种颜色的话，我们把目光转开就会在别的地方看到这种颜色的补色。这被称作颜色的互补原理，简单说来，当某个细胞受到某种颜色的光刺激时，它同时会释放出两种信号：刺激黄色，并同时拟制黄色的补色紫色。 事实上，某个场景的光在视网膜上细胞产生的信号并不是完全被百分之百等于人对这个场景的感受。人的大脑会对这些信号处理，并分析比较周围的信号。例如，一张用绿色滤镜拍的白宫照片——白宫的形象事实上是绿色的。但是因为人大脑对白宫的固有印象，加上周围环境的的绿色色调，人脑的会把绿色的障碍剔除——很多时候依然把白宫感受成白色。这被称作现象在英文中被称作“Retinex”——合成了视网膜（retina ）和大脑皮层（cortex ）两个单词。梵高就曾使用过这个现象作画。 人眼一共约能区分一千万种颜色，不过这只是一个估计，因为每个人眼的构造不同，每个人看到的颜色也少许不同，因此对颜色的区分是相当主观的。假如一个人的一种或多种锥状细胞不能正常对入射的光反映，那么这个人能够区别的颜色就比较少，这样的人被称为色弱。有 时这也被称为色盲，但实际上这个称呼并不正确，因为真正只能区分黑白的人是非常少的。 杆状细胞。杆状细胞虽然一般被认为只能分辨黑白，但它们对不同的颜色的灵敏度是略微不同的，因此当光暗下来的时候，杆状细胞的感光特性就越来越重要了，它可以改变我们对颜色的感觉。 、管路敷设技术通过管线不仅可以解决吊顶层配置不规范高中资料试卷问题，而且可保障各类管路习题到位。在管路敷设过程中，要加强看护关于管路高中资料试卷连接管口处理高中资料试卷弯扁度固定盒位置保护层防腐跨接地线弯曲半径标等，要求技术交底。管线敷设技术中包含线槽、管架等多项方式，为解决高中语文电气课件中管壁薄、接口不严等问题，合理利用管线敷设技术。线缆敷设原则：在分线盒处，当不同电压回路交叉时，应采用金属隔板进行隔开处理；同一线槽内强电回路须同时切断习题电源，线缆敷设完毕，要进行检查和检测处理。、电气课件中调试对全部高中资料试卷电气设备，在安装过程中以及安装结束后进行 高中资料试卷调整试验；通电检查所有设备高中资料试卷相互作用与相互关系，根据生产工艺高中资料试卷要求，对电气设备进行空载与带负荷下高中资料试卷调控试验；对设备进行调整使其在正常工况下与过度工作下都可以正常工作；对于继电保护进行整核对定值，审核与校对图纸，编写复杂设备与装置高中资料试卷调试方案，编写重要设备高中资料试卷试验方案以及系统启动方案；对整套启动过程中高中资料试卷电气设备进行调试工作并且进行过关运行高中资料试卷技术指导。对于调试过程中高中资料试卷技术问题，作为调试人员，需要在事前掌握图纸资料、设备制造厂家出具高中资料试卷试验报告与相关技术资料，并且了解现场设备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况 ，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。 、电气设备调试高中资料试卷技术电力保护装置调试技术，电力保护高中资料试卷配置技术是指机组在进行继电保护高中资料试卷总体配置时，需要在最大限度内来确保机组高中资料试卷安全，并且尽可能地缩小故障高中资料试卷破坏范围，或者对某些异常高中资料试卷工况进行自动处理，尤其要避免错误高中资料试卷保护装置动作，并且拒绝动作，来避免不必要高中资料试卷突然停机。因此，电力高中资料试卷保护装置调试技术，要求电力保护装置做到准确灵活。对于差动保护装置高中资料试卷调试技术是指发电机一变压器组在发生内部故障时，需要进行外部电源高中资料试卷切除从而采用高中资料试卷主要保护装置。
1、芯片发光颜色（COLW） 红（Red）：R（610nm-640nm）黄（Yellow）：Y（580nm-595nm）兰（Blue）：B（455nm-490nm）兰绿（Cyan）：C（490nm-515nm）绿（Green）：G（501nm-540nm）紫（Purple）：P（380nm-410nm）琥珀（Amber）：A（590nm-610nm）白（White）：W2 黄绿（Kelly）：K（560nm-580nm）暖白（Warm white）W3 2、颜色波长 ★红： R1：610nm-615nm R2：615nm-620nm R3：620nm-625nm R4：625nm-630nm R5：630nm-635nm R6：635nm-640nm ★黄： Y1：580nm-585nm Y2：585nm-590nm Y3：590nm-595nm ★琥珀色： A1：600nm-605nm A2：605nm-610nm ★兰绿： G1：515nm-517.5nm G2：517.5-520nm G3：520nm-525nm G4：525nm-530nm G5：530nm-535nm G6：535nm-540nm ★兰： B1：455nm-460nm B2：460nm-462.5nm B3：462.5nm-465nm B4：460nm-465nm B5：465nm-470nm B6：470nm-475nm B7：475nm-480nm B8：480nm-485nm B9：485nm-490nm ★黄绿： K1：560nm-565nm K2：565nm-570nm K3：570nm-575nm K4：575nm-580nm ★纯绿： C1：490nm-495nm C2：495nm-500nm C3：500nm-515nm
序号波长峰尖数值 1 581.800 171.1 2 584.650 623.1 3 587.750 1972.1 4 587.950 1994.1 5 590.450 129.1 6 594.200 470.1 7 599.100 66.1 8 609.400 766.1 9 609.650 668.1 10 614.050 872.1 11 621.550 149.1 12 629.400 74.1 13 632.450 738.1 14 633.100 595.1 15 635.050 45.1 16 638.250 799.1 17 639.850 792.1 18 640.350 2115.1 19 650.400 812.1 20 650.700 615.1 21 653.100 127.1 22 659.800 731.1 23 667.650 764.1 24 668.100 1256.1 25 692.550 660.1 26 702.800 767.1 27 703.050 444.1 28 706.550 708.1 29 717.500 47.1 30 724.350 157.1 31 728.100 616.1 序号波长峰谷数值 1 584.7 216.1 2 587.8 1955.1 3 598. 4 18.1 4 609. 5 400.1 5 613.3 18.1 6 617.3 20.1 7 630.0 36.1 8 632.5 306.1 9 638.3 376.1 10 639.2 20.1 11 650.5 447.1 12 667.7 409.1 13 703.8 13.1 14 728.2 187.1
可见光 指能引起视觉的电磁波。可见光的波长范围在0.77～0.39微米之间。波长不同的电磁波，引起人眼的颜色感觉不同。0.77～0.622微米，感觉为红色；0.622～0.597微米，橙色；0.597～0.577微米，黄色；0.577～0.492微米，绿色；0.492～0.455微米，蓝靛色；0.455～0.39微米，紫色。 可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分，可见光谱没有精确的范围；一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400到700纳米之间，但还有一些人能够感知到波长大约在380到780纳米之间的电磁波。正常视力的人眼对波长约为555纳米的电磁波最为敏感，这种电磁波处于光学频谱的绿光区域 人眼可以看见的光的范围受大气层影响。大气层对于大部分的电磁波辐射来讲都是不透明的，只有可见光波段和其他少数如无线电通讯波段等例外。不少其他生物能看见的光波范围跟人类不一样，例如包括蜜蜂在内的一些昆虫能看见紫外线波段，对于寻找花蜜有很大帮助。 红外光谱 红外光谱（infrared spectra），以波长或波数为横坐标 以强度或其他随波长变化的性质为纵坐标所得到的反映红外射线与物质相互作用的谱图。按红外射线的波长范围，可粗略地分为近红外光谱（波段为0.8～2.5微米）、中红外光谱（2.5～25微米）和远红外光谱（25～1000微米）。对物质自发发射或受激发射的红外射线进行分光，可得到红外发射光谱，物质的红外发射光谱主要决定于物质的温度和化学组成；对被物质所吸收的红外射线进行分光，可得到红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，它是一种分子光谱。分子的红外吸收光谱属于带状光谱。原子也有红外发射和吸收光谱，但都是线状光谱。 量子场论或量子电动力学可以正确地描述和解释红外射线（一种电磁辐射）与物质的相互作用。若采用半经典的理论处理方法，即对组成物质的分子和原子作为量子力学体系来处理，辐射场作为一种经典物理中的电磁波并忽略其光子的特征，则分子红外光谱是由分子不停地作振动和转动而产生的。分子振动是指分子中各原子在平衡位置附近作相对运动，多原子分子可组成多种振动模式。当孤立分子中各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简谐振动时，这种振动方式称简正振动。含N个原子的分子应有3N－6个简正振动方式；如果是线性分子，只有3N－5个简正振动方式。图中示出非线性3原子分子仅有的3种简正振动模式。分子的转动指的是分子绕质心进行的运动。分子振动和转动的能量不是连续的，而是量子化的。当分子由一种振动（或转动）状态跃迁至另一种振动（或转动）状态时，就要吸收或发射与其能级差相应的光。 研究红外光谱的方法主要是吸收光谱法。使用的光谱有两种类型。一种是单通道或多通道测量的棱镜或光栅色散型光谱仪，另一种是利用双光束干涉原理并进行干涉图的傅里叶变换数学处理的非色散型的傅里叶变换红外光谱仪。 红外光谱具有高度的特征性，不但可以用来研究分子的结构和化学键，如力常数的测定等，而且广泛地用于表征和鉴别各种化学物种。 紫外光谱 紫外光谱是分子中某些价电子吸收了一定波长的电磁波，由低能级跃近到高能级而产生的一种光谱，也称之为电子光谱。目前使用的紫外光谱仪波长范围是200~800nm。其基本原理是用不同波长的近紫外光（200~400nm）依次照一定浓度的被测样品溶液时，就会发现部分波长的光被吸收。如果以波长λ为横坐标（单位nm），吸收度（absorbance）A为纵坐标作图，即得到紫外光谱（ultra violet spectra，简称UV）。
通信词典—光谱宽度 定义1：光谱或光谱特性的波长范围的量度。 基于不同的光源类型，光谱宽度有几种不同的定义： 定义2：均方根谱宽（RMS）。均方根谱宽定义为：在标准工作条件下，光谱包络分布用高斯函数P（λ）来近似。 定义3：-3dB 谱宽（FWHM）。-3dB 谱宽定义为：在标准工作条件下，主纵模峰值波长的幅度下降一半处光谱线两点间的波长间隔，称之为FWHM 谱宽（或称-3dB 谱宽）。 定义4：-20dB 谱宽。-20dB 谱宽定义为：在标准工作条件下，主纵模峰值波长的幅度下降20dB 处光谱线两点间的波长间隔，称之为-20dB 谱宽。 其中RMS和FWHM一般用于描述多纵模光源，-20dB谱宽一般用于描述单纵模光源。 【中文名称】：光谱宽度 【英文名称】：SPECTRAL WIDTH 【定义1】：光谱或光谱特性的波长范围的量度。 【来源】： GB/T 14733.12-2008（术语标准）； 【定义2】：基于不同的光源类型，光谱宽度有几种不同的定义：均方根谱宽（RMS）、-3dB 谱宽（FWHM）和-20dB 谱宽。其中RMS和FWHM一般用于描述多纵模光源，-20dB谱宽一般用于描述单纵模光源。 均方根谱宽定义为：在标准工作条件下，光谱包络分布用高斯函数P（λ）来近似，若σrms 为均方根谱宽值，则： 光谱宽度 spectral width 式中： λ——光源波长； λ0——光源中心波长。 -3dB 谱宽定义为：在标准工作条件下，主纵模峰值波长的幅度下降一半处光谱线两点间的波长间 隔，称之为FWHM 谱宽（或称-3dB 谱宽）。 -20dB 谱宽定义为：在标准工作条件下，主纵模峰值波长的幅度下降20dB 处光谱线两点间的波长间隔，称之为-20dB 谱宽。 【来源】： YD/T 1528-2006； 【定义3】：基于不同的光源类型，光谱宽度有几种不同的定义：均方根谱宽（RMS）、-3dB 谱宽（FWHM）和-20dB谱宽。其中RMS 和FWHM 一般用于描述多纵模光源，-20dB 谱宽一般用于描述单纵模光源。 均方根谱宽定义为：在推荐工作条件下，光谱包络分布用高斯函数P（λ）来近似，若σrms 为均方根谱宽值，则： 式中： λ——光源波长； λ0——光源中心波长。 -3dB 谱宽定义为：在推荐工作条件下，主纵模峰值波长的幅度下降一半处光谱线两点间的波
总第173期2018年第1期 山西化工 SHANXI CHEMICAL INDUSTRY Total 173 No. 1，2018 111DOI：10. 16525/https://www.doczj.com/doc/ad17131215.html, l4-1109/tq. 2018. 01. 19基于波长调制光谱技术的在线激光氧气传感器 刘云\王伟峰2%付作伟3 (1.山西省环境监控中心，山西太原030024; 2.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安710054; 3.中创精仪（天津）科技有限公司，天津 300384) 摘要：基于可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS)技术，以中心波长为760. 3 nm的垂直腔面发射激光器 (VCSEL)为核心，开发了一款能快速、灵敏、实时、在线地监测氧气浓度的传感器。根据锁相放大模块对 调制的吸收信号进行解调，得到二次谐波（2f)信号幅值与02浓度的线性函数关系，通过实验数据对该 传感器进行验证。实验分析结果表明，该传感器的线性和抗干扰性均满足要求，响应时间为9 s，最佳积 分时间为18 s，对应的检测限低至质量分数78 X1(T6。该非接触式高灵敏度的在线激光氧气传感器能 实时检测开放光程下的氧气浓度，可应用于对氧气浓度检测要求较高的工业现场，对能源利用率的提高 及生产生活安全的保障意义重大。 关键词：可调谐激光吸收光谱；氧气传感器；在线；开放光程 中图分类号:0652.2 文献标识码:A文章编号：1004-7050 (2018) 01 -0054-04 引言 氧气（〇2)是人类生存的必须条件，其含量与人 体的舒适度、燃料燃烧和安全生产等密切相关。在 低氧环境中，人们会感到头晕、呼吸困难等。作为燃 烧过程的必要气体，一定浓度的〇2能够使可燃物燃 烧更完全，提升能源利用率，从而节约能源并减少环 境污染。工业生产时，需对生产现场内的〇2浓度实 时监测，实现安全生产。例如，煤矿工业的地下作业 时，矿井中的〇2浓度超过安全范围，就有可能引发 爆炸[1]，严重威胁现场人员的生命安全[2]。因此，实 时在线监测氧气的浓度对于提高能源利用率、环境 保护及保障安全生产等方面意义重大。 一直以来，人们对于〇2的检测方法进行了广泛 研究。根据检测原理差异，主要分为顺磁性[3]、原电 池[4]、氧化锆[5]以及光纤[6]等几种传感器，这些检测 方法均涉及化学反应，消耗〇2的同时对设备产生较 大损耗，在线监测误差较大。此外，利用化学方法进 行氧气浓度的检测，灵敏度较低，无法满足实际要 收稿日期：2017-12-19 基金项目：国家自然科学基金青年项目（51504186);陕西省自然科学基础研究计划（2017JM5114)。 作者简介：刘云，男，1978年出生，2002年毕业于北京电力管理干部学院，工程师，现从事污染源在线监控工作。 通讯作者：王伟峰，男，副教授，硕士生导师。求。实际的工业燃烧及煤矿开采现场，气体浓度处 于不断变化中，稍有差池可能酿成大祸，故实时在线 监测氧气浓度有助于减少不必要的损失。因此，探 索一种能满足较高时间分辨率和较高灵敏度的方法 来完成实时在线监测〇2浓度的方法十分必要。 随着激光探测及光谱分析技术的不断发展[7_8]，考虑到在近红外波段氧气的独特吸收特征，基于可 调谐激光吸收光谱技术（TDLAS)的高灵敏度和实 时快速的特征，本文设计制造了一种以TD LA S技 术为理论基础的实时监测氧气浓度的传感器系统，能够满足开放光路上实时监测环境中的〇2浓度，并 能满足稳定快速及高灵敏度等检测要求。 1波长调制光谱技术原理 利用波长调制光谱（WMS)技术搭建系统监测 痕量气体的浓度时，可以减弱光强变化和其他环境 因素的影响，故常用于检测微弱信号。根据朗 伯-比尔定律，一束调制后强度为L U)的激光信号 穿透吸收系数为的待检测氧气样本时，入射光 强1。（0与透射光强K O的关系可用式(1)表述。 K O = i〇⑴e x p[ — a〇)C L](1)式中：C为待测样本的浓度值;L为通过待测样 本中的入射光的光程。 假定入射光的线宽与气体吸收线的线宽（本文 中所使用的分布反馈式（DFB)激光器的线宽为
1109020225 周传兴 传感器结构原理 图1-1 基于细芯光纤的全光纤M-Z干涉仪结构示意图 光在SSMF内传播时只存在基模一个模式，光的能量基本被约束在芯层内。由于光纤的芯层直径是决定光传输模式状态的一个重要参数，不同芯径的光纤对光的约束能力不同，因此当光传播到SSMF和TCF交界面的时候，光传输的截止条件发生改变，一部分光被激发为高阶模式的光，和芯层模式光一起，在TCF内传播。到达另一个SSMF和TCF交界面的时候，一部分被激发光重新耦合回芯层，并与芯层的基模光发生干涉，由于不同模式光的有效折射率不同，因此干涉的两束光具有不同的光程差，因此干涉强度随着波长有强弱变化的关系。通过探测干涉条纹某个干涉峰的波长信息，就能找到其变化与环境参量变化之间的关系。奇数阶模式既存在芯层的分量又存在包层的分量。在SSMF中，能量几乎都集中在包层内，而在TCF中，包层的分量被压缩到很小的程度，能量几乎都集中到芯层。这决定了在第二段SSMF芯层内发生干涉时，高阶模分量的能量被大大提升，发生干涉的两束光的能量差被拉近，因此，得到的干涉条纹将有比较好的对比度，很可能得到很深的干涉极小点。TCF中高阶模式这种能量分布情况，会减少基模和高阶模式的有效射射率差，因此得到干涉条纹的自由光谱范围就会比较大，因此得到清晰，单一的干涉图样，能够作为一种简单的带阻滤波器。另外，在该传感器的应用中，也会有较大的工作范围。 在图1-1所示的第二段SSMF处获得的干涉条纹，其干涉峰的位置可以由式1-1得出： （1-1） 式中，是光纤芯层的有效折射率，和光的波长有关；是第j阶包层模式的有效折射率，它不仅和入射光波长有关，而且其受到外界折射率影响；L是插入的TCF的长度； 干涉峰的中心波长。式子表示了当芯层光和包层光传播了距离L以后，引入的光程差为干涉峰中心波长一半的奇数倍。 对式1-1做微分计算，就可以得到中心波长对于外界环境折射率和温度变化的响应：
各种光的波长 各种光的波长可见光的光谱
一个虹所表现的每个颜色只包含一个波长的光。我们称这样的颜色 为单色的。虹的光谱实际上是连续的，但一般人们将它分为七种颜色：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，但每个人的分法总是稍稍不同的。单色光的强度也会影响人对一个波长的光的颜色的感受，比如 暗的橙黄被感受为褐色，而暗的黄绿被感受为橄榄绿，等等。p1Ean qFDPw 显示器无法产生单色的橙色）。出于眼睛的生理原理，我们无法区 分这两种光的颜色。 也有许多颜色是不可能是单色的，因为没有这样的单色的颜色。黑色、灰色和白色比如就是这样的颜色，粉红色或绛紫色也是这样的 颜色。DXDiTa9E3d 波动方程是用来描写光的方程，因此通过解波动方程我们应该可以 得到颜色的信息。在真空中光的波动方程如下： utt = c2(uxx + uyy + uzz> c在这里是光速，x、y和z是空间的坐标，t是时间的坐标，u(x,y, z>是描写光的函数，下标表示取偏导数。在空间固定的一点 但实际上要描写一组光谱到底会产生什么颜色，我们还的理解视网膜的生理功能才行。 亚里士多德就已经讨论过光和颜色之间的关系，但真正阐明两者关系的是艾萨克·牛顿。约翰·沃尔夫冈·歌德也曾经研究过颜色的成因。托马斯·杨1801年第一次提出三元色的理论，后来赫尔曼·冯·亥姆霍兹将它完善了。1960年代人们发现了人眼内部感受颜色的色素，从而确定了这个理论的正确性。5PCzVD7HxA 人眼中的锥状细胞和棒状细胞都能感受颜色，一般人眼中有三种不同的锥状细胞：第一种主要感受红色，它的最敏感点在565纳M左右；第二种主要感受绿色，它的最敏感点在535纳M左右；第三种主要感受蓝色，其最敏感点在445纳M左右。杆状细胞只有一种，它的最敏感的颜色波长在蓝色和绿色之间。jLBHrnAILg 每种锥状细胞的敏感曲线大致是钟形的。因此进入眼睛的光一般相应这三种锥状细胞和杆状细胞被分为4个不同强度的信号。xHAQX74 J0X 因为每种细胞也对其他的波长有反映，因此并非所有的光谱都能被区分。比如绿光不仅可以被绿锥状细胞接受，其他锥状细胞也可以产生一定强度的信号，所有这些信号的组合就是人眼能够区分的颜色的总和。LDAYtRyKfE 本技术公开了一种基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统，包括激光器模块、高速气流模块、信号采集和数据处理模块以及上位机，激光器模块发射的两路激光位于高速气流流速方向的同一侧，一路顺着高速气流流速方向，一路逆着高速气流流速方向，均和高速气流流速不成90°夹角，位于高速气流后方的信号采集和数据处理模块接收并处理高速气流的吸收光谱二次谐波信号，得到高速气流信息。本技术操作简单、测量精度高，能消除背景信号、激光强度波动和光电放大系数等因素的影响，解决了目前高速气流中测量需要直接接触气体源导致气流受到干扰的难题，能够用于高温、高流速、振动等恶劣环境的检测，从而拓宽了WMS技术的应用范围。 权利要求书 1.一种基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统，包括有激光器模块、高速气流模块、信号采集和数据处理模块以及上位机，其特征在于：所述激光器模块包括激光器、激光器驱动电路、控制激光器驱动电路的信号调制和扫描电路、加法电路；还包括设置在激光器输出激光光路上的分束器、两路准直器；所述信号采集和数据处理模块包括位于准直器焦点上的探测器、依次连接探测器的放大电路、信号采集电路和数据处理模块，还包括信号采集控制模块；所述信号调制和扫描电路、激光器驱动电路以及信号采集电路连接信号采集控制模块；所述数据处理模块位于上位机软件内；所述信号调制和扫描电路的输出信号经加法电路处理后作用到激光器驱动电路上，激光器驱动电路控制激光器输出激光，激光器输出激光经分束器和两路准直器器后，位于高速气流流速方向的同一侧，一路顺着高速气流流速方向，一路逆着高速气流流速方向穿过气流，均和高速气流流速不成90°夹角，之后被信号采集和数据处理模块接收，信号采集和数据处理模块接收并处理通过高速气流得到的高速气流吸收光谱二次谐波信号，得到高速气流信息。 2.根据权利要求1所述的基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统，其特征在于：还包括连接信号采集电路的标准具，对激光器扫描波长进行标定。 3.根据权利要求1所述的基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统，其特征在于：所述信号调制和扫描电路包括函数信号发生器，用于向加法电路输出选定频率、幅值、相位的正弦波调制信号和锯齿波扫描信号；所述激光器驱动电路包括温度控制电路和电流驱动电路，采用ITC102激光器驱动器，该激光驱动器利用加法电路输出信号控制激光器的输出激光波长与频率，所述激光器为Nanoplus公司的DFB激光器，其输出激光为探测氧气用的波长761nm激光，或探测水汽用的波长1392nm激光。 4.根据权利要求1所述的基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统，其特征在于：所述高速气流模块为超音速风洞，所述超音速风洞的试验段设置有一个观测窗口，所述观测窗口的两侧分别放置有准直器和探测器。 5.根据权利要求1所述的基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统，其特征在于：所述的分束器为两等分功率光分束器。 6.根据权利要求1所述的基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统，其特征在于：所述的信号采集电路采用德国Spectrum公司M2i.4021采集卡， 该采集卡为12位位宽，最高采用速率20Msps。 光谱仪重要参数定义 ◆CCD 电荷耦合器件(Charger Coupled Device,缩写为CCD ),硅基光敏元件的响应范围在短波近红外区域。 ◆PDA 二极管阵列(Photodiode Array,缩写为PDA)、光电二极管阵列就是由多个二极管单元(象素)组成的阵列,单元数可以就是102,256或1024。当信号光照射到光电二极管上时,光信号就会转换成电信号。大部分光电二极管阵列都包括读出/积分放大器一体式的集成化信号处理电路。光电二极管的优点就是在近红外灵敏度高,响应速度快;缺点就是象元数较少、在紫外波段没有响应。 ◆薄型背照式 薄型背照式电荷耦合器件(BT—CCD,Back Thinned Charge Coupled Device),采用了特殊的制造工 艺与特殊的锁相技术。首先,与一般CCD相比,硅层厚度从数百微米减薄到20μm以下;其次,它采用背照射结构,因此紫外光不必再穿越钝化层。因此,不仅具有固体摄像器件的一般优点,而且具有噪声低,灵敏度高、动态范围大的优点。 BTCCD有很高的紫外光灵敏度,它在紫外波段的量子效率可以瞧到,在紫外波段,量子效率超过40％,可见光部分超过80％,甚至可以达到90％左右。可见,BTCCD不仅可工作于紫外光,也可工作于可见光,就是一种很优秀的宽波段检测器件。 ◆狭缝 光源入口。狭缝面积影响通过的光强度。狭缝宽度影响光学分辨率。 ◆暗电流 未打开光谱仪激发光源时,感光器件接收到的光电信号。主要影响因素有温度,电子辐射等。 ◆分辨率 光学分辨率定义为光谱仪可以分开的最小波长差。要把两个光谱线分开至少要把它们成象到探测器的两个相临象元上。分辨率依赖于光栅的分辨本领、系统的有效焦长、设定的狭缝宽度、系统的光学像差以及其它参数。光栅决定了波长在探测器上可分开的程度(色散),这对于分辨率来说就是一个非常重要的变量。另一个重要参数就是进入到光谱仪的光束宽度,它基本上取决于光谱仪上安装的固定入射狭缝或入射光纤 芯径(当没有安装狭缝时)。狭缝的尺寸有:10,25或50μm×1000μm(高)或100,200或500μm×2000μm(高)。在指定波长处,狭缝成象到探测器阵列上时会覆盖几个象元。而如果要分开两条光谱线,就必须把它们色散到这个象尺寸加上一个象元。当入射光纤的芯径大于狭缝的宽度时,分辨率就要由狭缝的宽度(有效宽度)来决定。 光谱仪分辨率可近似如下度量:R∝M·F/W 其中M为光栅线数,F为谱仪焦距, W为狭缝宽度。 ◆色散 光谱仪的色散决定其分开波长的能力。光谱仪的倒线色散可计算得到:沿光谱仪的焦平面改变距离χ引起波长λ的变化,即:Δλ/Δχ=dcosβ/mF 这里d、β、F分别就是光栅刻槽的间距、衍射角与系统的有效焦距,m为衍射级次。由方程可见,倒线色散不就是常数,它随波长变化。在所用波长范围内,变化可能超过2倍。 ◆光栅与闪耀波长 本技术属于激光光谱技术领域，具体是一种基于WMRF新模型的免定标波长调制光谱气体检测方法。解决了目前用于气体浓度检测的免定标波长调制光谱技术存在的精度不高的技术问题。本技术采用了一个0.02cm1自由光谱区的标准具来分析调制信号引起的波长变化WMRF，观察到了幅度线性变化的一次谐波分量和幅度为常数的二次谐波分量，提出了一个描述WMRF的新模型。用此新模型，系统可以得到更精确的拟合结果，较以往系统，无需增加硬件模块以及人为操作，只需要在程序上进行改进，有利于开发应用。本技术技术方案简单，操作方便，不需要花费很多的人力及物力，其成本和使用方便程度容易被大多数应用部门所接受。 技术要求 1.一种基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法，采用如下装置：函数发生器(1)，与函数发生器(1)的两个信号输出端相连接的加法器 (2)、与加法器(2)信号输出端相连接的激光控制器(3)以及由激光控制器(3)控制的DFB激光器(4)；DFB激光器(4)的出射光路上设有分束器(5)，分束器(5)的一个出射端顺次设有第一准直镜(6)、气体吸收池(8)以及第一光电探测器(10)；分束器(5)的另一个出射端顺次设有第二准直镜(7)、标准具(9)以及第二光电探测器(11)；所述第一光电探测器(10)和第二光电探测器(11)的信号输出端均连接有电脑(12)；函数发生器(1)的第三个信号输出端与电脑(12)连接；其特征在于，所述气体探测方法包括如下步骤：(a)探测前采用下式： F(cos(ωt))＝(at+b)cos(ωt)+ccos(2wt+θ)拟合WMRF函数，式中a，b，c、θ均为待定常数，均与使用的DFB激光器(4)有关；通过标准具(9)探测得到DFB激光器(4)的波长变化v以及三角波扫描引起的波长变化vpoly，二者之差得到F(cos(ωt))的值，结合该值并根据上式进行拟合，进而得到 a，b，c、θ四个系数的数值，也即拟合得到WMRF函数；(b)测量待测气体吸收后的光强信号，对吸收光强信号进行一次谐波解调和二次谐波解调，进而得到R2f/R1f；同时利用通过标准具透射峰拟合得到的vpoly和步骤(a)中得到的WMRF函数可以得到波长随时间的变化v，结合波长随时间的变化v、无吸收光强信号以及不同的气体浓度值这三个量并利用比尔朗博定律可以模拟得到模拟吸收光强，模拟吸收光强经过一次谐波解调和二次谐波解调，就可以得到模拟吸收光强的一次谐波解调信号和二次谐波解调信号，进而得到关于模拟吸收光强一次谐波解调信号的绝对幅度值Rs1f和二次谐波解调信号的绝对幅度值Rs2f，从而有Rs2f/Rs1f；(c)电脑(12)在相应软件的支持下判断Rs2f/Rs1f和R2f/R1f是否达到最佳拟合，如果是，则得到拟合浓度值，如果不是，代入另一个浓度值，重复拟合过程，直到得到拟合浓度值，该拟合浓度值就是待测气体的浓度值。 2.如权利要求1所述的基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法，其特征在于，所述标准具(9)为0.02cm-1自由光谱区的标准具。 3.如权利要求1或2所述的基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法，其特征在于，步骤(a)中拟合a，b，c、θ四个系数时采用的是最小二乘法。 4.如权利要求1或2所述的基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法，其特征在于，所述的一次谐波解调和二次谐波解调均通过电脑(12)内设的数字锁相放大器程序完成。 技术说明书 基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法 Vol 3 9 , No. 9,pp 2 70 2 - 2 707 September ! 019 第39卷，第9期2 0 1 9年9月 光谱学与光谱分析 SpectroscopyandSpectralAnalysis 基于波长调制技术的激光器调制特性研究 张步强1!，许振宇X刘建国X夏晖晖1!范雪丽X聂 伟1!，袁 峰"，阚瑞峰1 1.中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室，安徽合肥2 30031 2 ?中国科学技术大学，安徽合肥2 300 2 6 摘 要 在流场诊断技术中!可调谐半导体吸收光谱技术(TDLAS)成为主要的诊断技术之一 !其可实现非 接触、原位检测％波长调制(WMS)和直接吸收(DA)是两种最常用的TDLAS 气体传感方法，在目标含量很 低或者极端流场环境下，波长调制技术呈现出更多的优势，检测灵敏度与直接吸收相比可以提高1?2个数 量级％在近红外波长调制技术应用领域，分布反馈式(DFB )半导体激光器成为流场诊断技术的光源选择之 一，无论利用谐波信号(或者归一化谐波信号)的线型拟合，还是选择谐波信号的峰值来反演流场参数，吸收 模型的准确建立均十分重要％在模型建立时！激光器频率-时间响应以及光强-时间响应的准确表示尤为重 要％为解决吸收模型准确建立问题！提出了 一种准确测量激光器调制参数的完整方法！通过实验测量了用于 探测水汽吸收的1 39 2和1 469 nm 激光器的调制特性，研究了分布反馈式激光器的调制参数随调制幅度， 调制频率以及工作温度的变化％根据该方法得到的调制参数，建立吸收模型，测得常温下空气中水汽浓度为 1.97% !直接吸收方法测得浓度为1.99% !验证了该测量方法的准确性％研究表明!调制深度随调制幅度的 增加线性增加！随调制频率的增加非线性单调减小！随工作温度的升高线性增加；激光器的出光强度和频率 同时被调制！强度变化超前频率变化的相位！随调制幅度的变化不明显！随调制频率的增加单调增加！随工 作温度的升高单调减小；归一化一次谐波振幅和二次振幅均随调制幅度的增加而增加！随调制频率的增加 而减小！随工作温度的变化不明显％在吸收光谱应用领域！波长调制技术发挥的作用愈加重要！调制系数与 谐波信号的峰值息息相关！在波长调制技术应用时！选取适当的调制参数！有利于得到合适的谐波信号！可 通过改变调制幅度、调制频率、工作温度得到最优调制系数％研究了近红外分布反馈式半导体激光器的调制 特性！该方法同样适用于不同封装和不同波段激光器调制特性的研究！利于推广吸收光谱技术在各领域的 应用％ 关键词 TDLAS ；波长调制；调制深度；调制幅度；DFB ；吸收模型 中图分类号：O433.1 文献标识码：A DOI ： 10. 3964issn.1000-0593(2019)09-2 70 2-06 引言 可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorp -tion spectroscopy, TDLAS)技术是一种非侵入式光谱测量技 术！具有高选择、高灵敏度、高分辨、信号高保真)12*的特 点；可以同时检测气体的浓度、温度、压强、流速等多参数 流场信息当前被广泛应用在燃烧流场诊断，环境监测, 农业生产等领域45*%其技术主要分为直接吸收(direct absorption, DA)和波长调制(wavelength modulation spec -troscopy, WMS)两种主要技术手段，直接吸收技术主要应用 在吸收较强，所选吸收线相对孤立，受临近干扰吸收比较 弱，信噪比较大的情况对于较弱的吸收，难以获得高的 信噪比；或者在压力升高以后，目标分子本身的展宽变大, 谱线之间相互重叠严重，基线选取困难，非洛伦兹效应变得 严重而波长调制技术对非洛伦兹效应不敏感，由于其本 质是提取快变化特征，对因高压下展宽引起的吸收本底抬升 不敏感, 利于高压流场测量, 该技术更有利于解决这些情况 下的流场参数反演问题其广泛应用在高压燃烧系统(燃 气轮机、内燃机、煤气化炉、爆型燃烧器等91巧检测中％ 在波长调制技术中，波长(频率)被调制的同时，强度也 被调制，调制深度(modulation depth)是主要的参数之一％调 制幅度(高频调制信号峰峰值),调制频率和工作温度都对其 产生影响，并且影响频率调制相对强度调制的相位延迟，同 收稿日期：2 018-07-07,修订日期：2 018-11-2 0 基金项目：国家重点研发计划项目(016YFC0 2 01104)资助 作者简介：张步强！ 1989年生！中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室博士研究生 e-mail : bqzhmg@https://www.doczj.com/doc/ad17131215.html, 第５４卷第１０期２００５年１０月１０００．３２９０／２００５／５４（１０）／４６３８．０５物理学报 ＡＣ７ｒＡＰＨＹＳＩＣＡＳＩＮＩＣＡ Ｖ０１．５４，Ｎｏ．１０，Ｏｃｔｏｂｅｒ，２００５ ＠２００５Ｃｈｉｎ．Ｐｈｙｓ．Ｓｏｅ． 信号处理改善波长调制光谱灵敏度的实验研究＊ 邵杰１’２’＋高晓明１’２’袁怿谦１’杨颢２’曹振松１’２’裴世鑫２’张为俊２’１’（中国科学院安徽光学精密机械研究所国家八六三计划大气光学重点实验室，合肥２３００３１） ２’（中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光谱学实验室，合肥２３００３１） （２００４年１２月ｌＯ日收到；２００５年１月２５日收到修改稿） 基于可调谐半导体激光吸收光谱，提出了一种新的信号处理方法用于提高吸收光谱测量的灵敏度．研究结果表明：采用信号处理（ＤＳＰ）可以使波长调制光谱的信噪比提高一个数量级，且测量ｃ０２分子的时候发现一条新谱线．这些信号处理包括多次平均、数字低通滤波以及最ｄｘ－－乘法拟合．由于该方法不需要增加设备的复杂性，所以比其他噪声抑制技术更容易在实验中实施、有更实际的应用价值． 关键词：波长调制，信号处理，半导体激光器，吸收光谱 ＰＡＣｅ：０７６５Ｇ，４２２５Ｂ，４２８０，４２６０Ｆ １．引言 可调谐二极管激光器吸收光谱是灵敏度高、选择性好、响应时间快的一种痕量气体分析方法之一ＨＪ．同时由于最近几年光通讯的迅速发展，使得半导体激光器性能稳定可靠、易调谐、价格适中等特点，因此作为近年来发展起来的一种新型的激光光谱分析法，已经被广泛应用于环境检测、大气科学、痕量分析、光谱测量等领域卜５｜，结合波长调制技术的探测极限可以达到１０～一１０。７的吸收单位№１．虽然原理上认为波长调制光谱仅仅受量子噪声源的制约，而实际上同时也受其他干扰噪声的影响，如：电子噪声、残余振幅调制ｎ１、激光超噪声、标准具干涉效应等ｎ］．目前有各种各样的实验技术用来抑制这些噪声源，如：采用差分电路旧Ｊ、振动［１引、高次谐波探测Ⅲ１等，然而数字信号处理技术在这方面受到很少关注．由于快速数据采集系统的发展以及不昂贵的个人计算机结合适时数字信号处理技术，使可调谐半导体激光光谱仪的灵敏度进一步提高成为可能． 本文讨论了把ＤＳＰ（多次平均、数字带通滤波以及最小二乘法拟合）应用到波长调制光谱技术中，发现波长调制吸收光谱的二次谐波信号灵敏度大大提高，同时选择合适的调制频率使得光谱分辨率也大大提高．而且利用该技术提高波长调制灵敏度有易实施、易更新、不需要增加或改动设备等优点，不失为一种简单、高效的方法． ２．波长调制原理 光通过介质时部分被吸收，由于气体分子的吸收对光谱具有选择性，而且与吸收系数、物质的浓度、通过吸收介质的长度有关，在没有饱和的弱吸收情况下其透过光强满足Ｂｅｅｒ－Ｌａｍｂｅｒｔ法则ｎ２＿１５｜： ，（ｖ）＝，０ｅ一却，（１）其中厶，，分别为激光输入光强和透射光强，仃为气体样品的吸收截面，三为吸收样品的光学长度，Ｊ０为样品的密度． 当激光发射波长在中心波长ｖ。处以调制频率∞。进行调制时，则激光发射波长的瞬时频率为ｖ＝ｖ。＋３ｖｃｏｓ（∞。ｔ），０＂１，１为调制振幅，则通过吸收滞后的激光强度可以表达成余弦Ｆｏｕｒｉｅｒ级数： ，（ｙ，ｔ）＝＞：Ａ。（ｖ）ｃｏｓ（砌。ｔ），（２） ：面 上式中的Ａ。（对／７，＞Ｏ）是不同谐波成份，它可 。国家高科技发展计划激光技术领域基金（批准号：２００２ＡＡ８２５１００）资助的课题＋通讯联系人．Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈａｏｊｉｅ＠ａｉｏｆｍ．ａｃ．ｃｎ 课程教学大纲 课程名称（中文）：激光光谱学与光谱测量技术 课程名称（英文）：Laser spectroscopy and spectral detection technique 课程性质：（通识必修、通识选修、学科基础、专业必修、专业选修、教师教育）专业必修 学分：2 学时：36 ，其中理论学时：36 ，实践（实验）学时：0 授课对象：电子科学与技术 授课语言：中文 开课院系：物理与材料科学学院 课程网址：(没有请填写“无”)无 撰写人：邓莉 审定人：无 一、课程简介（中文） 《激光光谱学与光谱测量技术》是电子科学技术的专业必修课程。该课程围绕激光光谱学基本原理及检测方法展开。知识点涵盖基础光学、原子物理学、非线性光学、光电子技术等学科领域。本课程主要突出激光光谱学基本原理、基础知识与基本方法，让学生了解激光光谱新技术与发展方向，为本科生掌握激光光谱学基础知识及起步相关专业方向研究奠定扎实基础。本课程适用于具有一定光学、原子物理基础的高年级学生学习，总学时为36学时左右（每周2学时，共1学期）。 课程简介（英文） Laser spectroscopy and spectral detection technique is the required course for the students of Electronic Science Technique major. This course mainly revolves around the basic principles and the measurement methods of laser spectroscopy. All the knowledges are related with basic optics, atomic physics, nonlinear optics and electric technique. This course can help students gain the new techniques and the development of the laser spectroscopy, meanwhile is to lay a solid foundation for the students’ further study. It is suitable for the students who have already learned optics and atom ic physics. This course has about 36 hours in total (2 hours per week,18 weeks in one semester). 二、课程目标 通过本课程的学习，使学生对各种光谱测量技术的原理，实现方法，技术技巧有比较全面的了解。对各种光谱学技术学习的过程中，可以培养学生根据实际问题结合物理原理提出解决方案思维能力，提升全面思考方案可行性并不断优化方案的理念。 三、教学内容、学时分配和作业要求 第一章光谱学基础知识（学时2） 本章总结了光谱学的基础知识。首先在了解光本性的基础上，介绍光与物质相互间的作用。基于能级跃迁理论，揭示光谱中所反映的物质能级信息，光谱的宽度和线型表征光谱的重要参数。基于波长调制-TDLAS的高速气流流速检测系统的制作技术
光谱仪重要参数定义
基于WMRF模型的免定标波长调制光谱气体检测方法与相关技术
基于波长调制技术的激光器调制特性研究
信号处理改善波长调制光谱灵敏度的实验研究
完整word版,光谱测量技术
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