激光氣體TDLAS檢測技術(shù)及應用-王彪

1、王 彪中國科學院長春光學精密機械與物理研究所激光氣體TDLAS檢測技術(shù)及應用2017年9月12日1、個人及研究組情況簡介建所60余年來，長春光機所在以王大珩院士、徐敘瑢院士等為代表的一批科學家的帶領下，研制出中國第一臺紅寶石激光器、第一臺大型電影經(jīng)緯儀等多種先進儀器設備，創(chuàng)造了十幾項“中國第一”；先后參加了“兩彈一星”、“載人航天工程”等多項國家重大工程項目，為我國國防建設、經(jīng)濟發(fā)展和社會進步做出了突出貢獻。“天宮二號”紫外邊成像光譜儀超大口徑反射鏡中國科學院長春光學精密機械與物理研究所中國科學院長春光學精密機械與物理研究所（簡稱“長春光機所”）始建于1952年，由中科院長春光機所和中科院長春

2、物理所1999年整合而成，是新中國在光學領域建立的第一個研究所，主要從事發(fā)光學、應用光學、光學工程、精密機械與儀器的研發(fā)生產(chǎn)。單模VCSEL激光器可見近紅外微型光譜儀中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 姓 名 ： 王彪 博士、研究員、碩士生導師工作部門：發(fā)光學及應用國家重點實驗室研究方向：激光氣體檢測系統(tǒng)2008年畢業(yè)于吉林大學電子科學與工程學院電子科學與技術(shù)專業(yè)，獲博士學位中國傳感器與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，東北區(qū)理事會員單位代表；國家煤礦防爆安全產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)標準制定委員會，委員；中文核心期刊激光雜志，特邀編委。吉林大學電子科學與工程學院，“集成光電子學國家重點實驗室先進傳感技術(shù)及應用研究室”，客座

3、教授吉林省長光瑞思激光技術(shù)有限公司，激光應用產(chǎn)業(yè)部，常務經(jīng)理兼技術(shù)總監(jiān) 主持和參加了多個國家、省部級科研項目，發(fā)表學術(shù)論文70余篇， 獲得發(fā)明專利9項、吉林省科學技術(shù)一等獎2項。主要工作情況：個人情況介紹主持國家及省部級各類項目多項：1. 采用VCSEL核心激光光源的微型化普適型TDLAS氣體檢測系列模塊的研制，2018-2022年，725萬，總體主持，基金委國家重大科研儀器設備研制項目2. 有源紅外氣體傳感材料與器件及應用，2017-2020年，1478萬，子課題主持，國家重點研發(fā)計劃重點專項項目3大氣污染氣體激光檢測系統(tǒng)的研制，2016-2018年，100萬，主持，吉林省科技廳重大科技招標

4、專項項目4酒駕遙感激光自動快速預檢儀及系統(tǒng)的研制，2012-2013年，60萬，主持，中國公安部重點研究計劃項目5面向酒駕檢測的可調(diào)諧半導體激光器及反射式 TDLAS 技術(shù)研究，2014-2016年，31萬，主持，國家自然科學基金青年基金項目6新型高精度集成化激光霧霾檢測儀的研制，2015-2017年，12萬，主持，吉林省科技廳重點科技攻關項目主要承擔項目獲得發(fā)明專利9項（1） 一種酒駕遙感快速激光自動預檢裝置(TDLAS)（2） 一種酒駕遙感快速激光自動預檢裝置（3） 酒駕遙感快速激光自動預檢裝置（4） 用于酒駕檢測的時分復用差分調(diào)制激光器驅(qū)動裝置（5） 一種用于反射式激光酒駕檢測的單光源分

5、時差分動態(tài)標定激光驅(qū)動模塊（6） 基于二元化光譜分技術(shù)的乙醇氣體濃度遙測方法（7）一種用于激光霧霾檢測的五點協(xié)同激光模組裝置其中氣體檢測儀器相關7項發(fā)明專利情況氣體檢測相關代表性學術(shù)論文：王彪，基于TDLAS技術(shù)的激光酒精氣體檢測系統(tǒng)的驅(qū)動電路設計，儀器儀表學報，2012(8):358-361王彪，曹軍勝，基于LPC2148的激光甲烷氣體檢測系統(tǒng)設計，儀器儀表學報，2012(8):354-357王彪，基于“時分復用”技術(shù)的陣列量子級聯(lián)激光器驅(qū)動電源，儀器儀表學報, 2013(s1):55-58王彪，激光酒精氣體檢測儀溫控系統(tǒng)設計，儀器儀表學報，2012(8):362-365王彪，基于ADuC7

6、026的煙氣污染物監(jiān)測系統(tǒng)設計，儀器儀表學報，2012(8):351-353陳晨， 王彪，采用4.8m中紅外量子級聯(lián)激光器的痕量一氧化碳氣體檢測儀，光譜學與光譜分析(SCI)，2014(3):838-842郭月俊，王彪， TDLAS檢測系統(tǒng)的ARM主控型激光驅(qū)動電路的設計，激光雜志，2014(7):84-86程萬前，王彪，用于TDLAS激光氣體檢測的程控信號發(fā)生器的研制，激光雜志，2014(7):77-79阮慧，郭少艾，房思超，王彪，用于激光酒精氣體檢測的程控信號調(diào)制電路設計，激光雜志，2014(11):48-50郭少艾，阮慧，房思超，王彪，用于激光霧霾檢測的光電環(huán)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路研制，激光雜

7、志，2015(7):19-22房思超，劉昱峰，王彪，用于激光TDLAS檢測系統(tǒng)的模塊化驅(qū)動單元電路設計，激光雜志，2016(5):52-55劉昱峰，王彪，楊凱，陳壘，陳越，寧永強，TDLAS檢測技術(shù)氣體吸收過程的仿真研究，激光雜志，2017(3):37-40作為通訊作者、指導碩士研究生論文：第一作者：代表性學術(shù)論文 發(fā)光學及應用國家重點實驗室：半導體激光技術(shù)及應用研究組核心研發(fā)人員35人，其中具有高級職稱人員17人， 研究領域涵蓋半導體光電子理論設計、材料外延、工藝制備、應用系統(tǒng)研發(fā)；擁有1.1億元設備。從外延到封裝的全鏈條VCSEL半導體激光中試線，近五年發(fā)表論文148篇，其中SCI論文61

8、篇，VCSEL相關論文34篇。課題組情況課題組已經(jīng)過十余年的VCSEL研制歷程，在VCSEL設計、制備、封裝測試具有豐富的經(jīng)驗和完善的技術(shù)手段。具有多種VCSEL器件結(jié)構(gòu)設計、性能模擬軟件擁有1400的千級超凈實驗室，具有一整條從MOCVD外延生長、工藝制備、封裝測試的產(chǎn)線系統(tǒng)課題組研究平臺MOCVD外延ICP干法刻蝕掩膜制備光刻機磁控濺射鍍膜機高精度光刻機課題組情況課題組研究平臺多通道邏輯分析儀1GHz混合信號示波器激光氣體吸收檢測系統(tǒng)相關研發(fā)設備氣體光譜吸收實驗室激光光譜分析儀課題組情況國家技術(shù)發(fā)明及國家科技進步二等獎各一項 中國專利優(yōu)秀獎一項科技部授予“大功率半導體激光重點領域創(chuàng)新團隊”

9、稱號 57相關研究獲得國家二等獎2項及省部級一等獎7項課題組情況2、激光氣體TDLAS檢測技術(shù) 近年來，城市化進程的不斷加快使得大氣污染氣體、溫室氣體得到大量排放；化工生產(chǎn)行業(yè)的迅猛發(fā)展導致有害氣體的迅速增加；而可燃氣體的廣泛使用，大大增加了人們生活中的潛在危險。應用領域：大氣污染氣體的時空分布監(jiān)測CO2、N2O、O3等工業(yè)生產(chǎn)過程中毒害氣體的含量監(jiān)測H2S、NH3、NO、SO2、Cl2等易燃易爆氣體的實時監(jiān)測H2、C2H4、C2H6、CO、CH4等應用背景及領域應用背景：激光酒駕遙感自動快速預檢系統(tǒng)分布式激光甲烷多點檢測系統(tǒng)（1）國家重大科研儀器設備研制項目： 采用VCSEL核心激光光源的微

10、型化普適型 TDLAS氣體檢測系列模塊的研制（2）國家重點研發(fā)計劃重點專項項目： 有源紅外氣體傳感材料與器件及應用（3）國家自然科學基金青年基金項目： 面向酒駕檢測的可調(diào)諧半導體激光器 及反射式 TDLAS 技術(shù)研究（4）國家公安部重點研究計劃項目 酒駕遙感激光自動快速預檢儀及系統(tǒng)的研制（5）吉林省科技廳重大科技招標專項項目： 大氣污染氣體激光檢測系統(tǒng)的研制（6）吉林省科技廳重點科技攻關項目： 新型高精度集成化激光霧霾檢測儀的研制項目課題來源 氣體檢測方法半導體式： 利用半導體氣敏元件作為敏感元件進行檢測 紅外吸收式： 通過氣體在紅外波段的吸收光強改變進行檢測催化燃燒式： 通過催化燃燒產(chǎn)生熱量

11、改變器件阻值進行檢測熱傳導式： 利用氣體的導熱系數(shù)與空氣的差異進行檢測TDLAS式：可調(diào)諧半導體二極管激光吸收光譜 通過氣體對激光的二次諧波吸收進行檢測1.DFB光源式 ： 分布反饋式激光器作為光源2.VCSEL光源式： 垂直腔面發(fā)射激光器作為光源傳統(tǒng)氣體檢測方式新興技術(shù)激光氣體TDLAS檢測技術(shù) 16對于不同的檢測對象，可以采用不同波長的激光光源進行檢測。TDLAS： Tunable Diode Laser Absorption Spectrometry“可調(diào)諧半導體二極管激光吸收光譜”檢測技術(shù)。TDLAS氣體檢測技術(shù)原理氣體分子對激光進行“選頻”吸收激光能量吸收程度取決于氣體濃度激光氣體T

12、DLAS檢測技術(shù) VCSEL激光光源型：垂直腔面發(fā)射激光器閾值低、功耗低、體積小、光束質(zhì)量好、易單片集成。DFB激光光源型：分布反饋式激光器工藝成熟，但相對功耗較高、成本較高。DFBVCSELTDLAS檢測技術(shù)的構(gòu)成激光氣體TDLAS檢測技術(shù) 1. 采用VCSEL核心激光光源的微型化普適型TDLAS氣體檢測系列模塊的研制，2018-2022年，1077萬，主持，基金委國家重大科研儀器設備研制項目2. 有源紅外氣體傳感材料與器件及應用，2017-2020年，1478萬，子課題主持，國家重點研發(fā)計劃重點專項項目3大氣污染氣體激光檢測系統(tǒng)的研制，2016-2018年，100萬，主持，吉林省科技廳重大

13、科技招標專項項目4酒駕遙感激光自動快速預檢儀及系統(tǒng)的研制，2012-2013年，60萬，主持，中國公安部重點研究計劃項目5面向酒駕檢測的可調(diào)諧半導體激光器及反射式 TDLAS 技術(shù)研究，2014-2016年，31萬，主持，國家自然科學基金青年基金項目項目：（1）一種酒駕遙感快速激光自動預檢裝置（2）酒駕遙感快速激光自動預檢裝置（3）用于酒駕檢測的時分復用差分調(diào)制激光器驅(qū)動裝置（4）一種用于反射式激光酒駕檢測的單光源分時差分動態(tài)標定激光驅(qū)動模塊（6）基于二元化光譜分技術(shù)的乙醇氣體濃度遙測方法專利：代表性的項目、專利LD激光器恒流驅(qū)動及調(diào)制LIA鎖相放大檢測LD激光器TEC高精度溫度控制系統(tǒng)DDS

14、雙路相關信號的產(chǎn)生系統(tǒng)整體交互管理TDLAS氣體檢測關鍵技術(shù)的單元構(gòu)成光學機械系統(tǒng)：集成一體化設計整體性能穩(wěn)定標準化模塊接口：通用接口方式易于后續(xù)嵌入式應用電學控制系統(tǒng)：多硬件單元及軟件智能算法協(xié)同光機電集成一體化設計保證整體檢測模塊具備高穩(wěn)定性、高一致性，高易用性。TDLAS氣體檢測應用模型激光氣體檢測系統(tǒng)主控電路板TDLAS氣體檢測系統(tǒng)部分樣機LIA鎖相放大檢測鎖相放大信號檢測：其實現(xiàn)了對鎖相放大輸出信號的差分處理，以及自適應閾值檢定，配備聲光報警功能，適用于需要差分檢測以及動態(tài)閾值檢定的應用場合。TDLAS氣體檢測系統(tǒng)部分樣機核心激光器驅(qū)動及諧波檢測波形圖a.激光器驅(qū)動調(diào)制波形 圖b.

15、二次諧波檢測波形 TDLAS氣體檢測系統(tǒng)部分樣機參數(shù)反射次數(shù)：435, 總光程：54.6 米尺寸: 16.9 x 6.6 x 5.3 cm3多反射氣體吸收氣室設計TDLAS氣體檢測系統(tǒng)部分樣機3、激光氣體TDLAS技術(shù)應用激光氣體TDLAS檢測技術(shù)1.CH4、C2H6單氣體傳感器天然氣可燃冰（CH4，C2H6為主的C,H化合物）是近幾年來最炙手可熱的新型清潔能源。隨著天然氣被大量應用于民用燃料，其低濃度下遇明火即產(chǎn)生爆炸的安全隱患也愈發(fā)凸顯，此時安置一個天然氣泄露檢測系統(tǒng)就顯得尤為重要，我們所研制的CH4、C2H6單氣體傳感器就完全可以勝任這個任務，相比于傳統(tǒng)的傳感器還具有體積小，響應時間短，

16、使用壽命長等特點。天然氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng): 單組分CH4傳感器采用兩層光路結(jié)構(gòu)設計尺寸： 32 20 17 cm3 性能指標：探測下限 1.4 ppbv 4 s中紅外光譜技術(shù)，TDLAS-WMS 技術(shù)環(huán)形密集光程積分技術(shù)(Stephen So.)1.CH4、C2H6單氣體傳感器3291 nm ICL激光器；雙層光學傳感結(jié)構(gòu)；54 m長光程多通池；高精度背景/吸收峰擬合算法；環(huán)境監(jiān)測應用上圖：7日監(jiān)測CH4平均濃度為1.96 ppmv下圖：CH4濃度的日變化0-7 am，CH4濃度呈上升趨勢。8 am - ，逐漸減小， 1.87 ppmv。與美國萊斯大學合作開發(fā)所進行的外場測試1.CH4、C2H6單

17、氣體傳感器休斯頓市起點（萊斯大學校園）終點（清潔能源CNG ORourke站）IEEE Photon. Technol. Lett., 2016, 28(21): 2351-2354. （SCI）1.CH4、C2H6單氣體傳感器天然氣泄漏監(jiān)測系統(tǒng): 單組分C2H6傳感器采用單層光路結(jié)構(gòu)設計尺寸： 36 18 13cm3 性能指標：探測下限 1.05 ppbv 4 s；239 pptv 208 s中紅外光譜技術(shù)，TDLAS-WMS 技術(shù)環(huán)形密集光程積分技術(shù)(Stephen So.)2.CH4、C2H6單氣體傳感器Sensors and Actuators B, 2016, 232: 188194

18、（SCI）Appl. Phys. B, 2016, 122, 185. (SCI)2.CH4、C2H6單氣體傳感器光機所Picarro公司新漢普郡大學ABB-LGR 公司Aerodyne公司檢測方法MIR TDLASNIR CRDSMIR TDLASNIR OA ICOSMIR TDLAS靈敏度/積分時間1.19ppb/4s1-2 ppb/60s15 ppb/60s2 ppb/s 20 m），體積僅為75mL，成本僅為商用產(chǎn)品價格的1/6。4.12CH4/13C2H6氣體同位素傳感器R 由于同位素的放射性特性，使其在醫(yī)療領域有著無可替代的地位。在檢測胃腸疾病時，人們常常服下含有C13的膠囊，然

19、后根據(jù)其呼出氣體CO2中C12和C13的比例來判斷患者有無某種胃腸疾病，我們的12CO2/13CO2雙氣體傳感器由于可以同時檢測12CO2和13CO2的含量，所以可以很完美的完成這項檢測任務；另外此傳感器也可用于海底氣體探測。 5.12CO2/13CO2氣體同位素傳感器國家重點研發(fā)計劃項目“近海底高精度水合物探測技術(shù)”子課題12CO2/13CO2氣體同位素傳感器 性能指標：探測下限 12CO2/13CO2 90 ppbv 5s，20 torr 5.12CO2/13CO2氣體同位素傳感器中紅外波長調(diào)制光譜技術(shù)6.中紅外波長調(diào)制光譜技術(shù)4、激光TDLAS遙感酒駕檢測系統(tǒng)的研制1、激光酒駕遙感自動快

20、速預檢系統(tǒng)“透射式激光酒駕預檢系統(tǒng)”研制成功 長春光機所率先開展了此項研究近兩年時間，在國家公安部重點計劃項目 “酒駕遙感激光自動快速預檢儀及系統(tǒng)的研制”的支持下，在共同項目承擔單位“吉林省公安廳交通管理局”的協(xié)助下，已于2012年完成了透射式檢測樣機的研制工作。激光TDLAS遙感酒駕檢測系統(tǒng)2、在國家公安部重點項目支持下所研制完成的“透射式激光酒駕預檢系統(tǒng)”的整體原理樣機：原理樣機3、原理樣機主機：原理樣機4、原理樣機的主激光發(fā)射器內(nèi)部結(jié)構(gòu)：原理樣機5、“國家重大科學儀器專項” 采用VCSEL核心激光光源的微型化普適型TDLAS氣體檢測系列模塊的研制 同時隨著新興互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展與廣

21、泛應用，對于氣體檢測儀器設備也提出了朝向微型化、模塊化、智能化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展的需求。項目需求雖然目前的氣體檢測儀器品類眾多，但受限于器件體積、檢測精度、器件壽命等因素，尚不足以滿足對于氣體檢測的規(guī)?；痛蟊娀男枨?。因此研制一種微型化、普適型的氣體檢測模塊，使其可以更加便捷地嵌入到各種檢測場景當中，將會極大地提升對于氣體檢測的工作效率。指南資助具有廣泛應用前景的新穎科學儀器和部件的研制重大儀器專項嵌入無線通信設備 微型化的氣體檢測模塊，通過統(tǒng)一的接口標準，可以方便地嵌入到各種便攜式或固定式的檢測平臺當中，其應用場景具有普適性。項目概要搭載無人機設備嵌入信息屏幕嵌入有線通信設備嵌入手持設備體積相當于3個煙盒疊放大小(10 x10 x9cm3)搭載移動車載設備重大儀器專項嵌入不同尺寸類型設備獨立式氣體檢測應用方式：嵌入式氣體檢測應用場合：顯示器氣體檢測模塊獨立的氣體檢測儀 模塊本身具備完整 的氣體檢