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文档简介
1、王 彪中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光气体TDLAS检测技术及应用2017年9月12日1、个人及研究组情况简介建所60余年来,长春光机所在以王大珩院士、徐叙瑢院士等为代表的一批科学家的带领下,研制出中国第一台红宝石激光器、第一台大型电影经纬仪等多种先进仪器设备,创造了十几项“中国第一”;先后参加了“两弹一星”、“载人航天工程”等多项国家重大工程项目,为我国国防建设、经济发展和社会进步做出了突出贡献。“天宫二号”紫外边成像光谱仪超大口径反射镜中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(简称“长春光机所”)始建于1952年,由中科院长春光机所和中科院长春
2、物理所1999年整合而成,是新中国在光学领域建立的第一个研究所,主要从事发光学、应用光学、光学工程、精密机械与仪器的研发生产。单模VCSEL激光器可见近红外微型光谱仪中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 姓 名 : 王彪 博士、研究员、硕士生导师工作部门:发光学及应用国家重点实验室研究方向:激光气体检测系统2008年毕业于吉林大学电子科学与工程学院电子科学与技术专业,获博士学位中国传感器与物联网产业联盟,东北区理事会员单位代表;国家煤矿防爆安全产品产业标准制定委员会,委员;中文核心期刊激光杂志,特邀编委。吉林大学电子科学与工程学院,“集成光电子学国家重点实验室先进传感技术及应用研究室”,客座
3、教授吉林省长光瑞思激光技术有限公司,激光应用产业部,常务经理兼技术总监 主持和参加了多个国家、省部级科研项目,发表学术论文70余篇, 获得发明专利9项、吉林省科学技术一等奖2项。主要工作情况:个人情况介绍主持国家及省部级各类项目多项:1. 采用VCSEL核心激光光源的微型化普适型TDLAS气体检测系列模块的研制,2018-2022年,725万,总体主持,基金委国家重大科研仪器设备研制项目2. 有源红外气体传感材料与器件及应用,2017-2020年,1478万,子课题主持,国家重点研发计划重点专项项目3大气污染气体激光检测系统的研制,2016-2018年,100万,主持,吉林省科技厅重大科技招标
4、专项项目4酒驾遥感激光自动快速预检仪及系统的研制,2012-2013年,60万,主持,中国公安部重点研究计划项目5面向酒驾检测的可调谐半导体激光器及反射式 TDLAS 技术研究,2014-2016年,31万,主持,国家自然科学基金青年基金项目6新型高精度集成化激光雾霾检测仪的研制,2015-2017年,12万,主持,吉林省科技厅重点科技攻关项目主要承担项目获得发明专利9项(1) 一种酒驾遥感快速激光自动预检装置(TDLAS)(2) 一种酒驾遥感快速激光自动预检装置(3) 酒驾遥感快速激光自动预检装置(4) 用于酒驾检测的时分复用差分调制激光器驱动装置(5) 一种用于反射式激光酒驾检测的单光源分
5、时差分动态标定激光驱动模块(6) 基于二元化光谱分技术的乙醇气体浓度遥测方法(7)一种用于激光雾霾检测的五点协同激光模组装置其中气体检测仪器相关7项发明专利情况气体检测相关代表性学术论文:王彪,基于TDLAS技术的激光酒精气体检测系统的驱动电路设计,仪器仪表学报,2012(8):358-361王彪,曹军胜,基于LPC2148的激光甲烷气体检测系统设计,仪器仪表学报,2012(8):354-357王彪,基于“时分复用”技术的阵列量子级联激光器驱动电源,仪器仪表学报, 2013(s1):55-58王彪,激光酒精气体检测仪温控系统设计,仪器仪表学报,2012(8):362-365王彪,基于ADuC7
6、026的烟气污染物监测系统设计,仪器仪表学报,2012(8):351-353陈晨, 王彪,采用4.8m中红外量子级联激光器的痕量一氧化碳气体检测仪,光谱学与光谱分析(SCI),2014(3):838-842郭月俊,王彪, TDLAS检测系统的ARM主控型激光驱动电路的设计,激光杂志,2014(7):84-86程万前,王彪,用于TDLAS激光气体检测的程控信号发生器的研制,激光杂志,2014(7):77-79阮慧,郭少艾,房思超,王彪,用于激光酒精气体检测的程控信号调制电路设计,激光杂志,2014(11):48-50郭少艾,阮慧,房思超,王彪,用于激光雾霾检测的光电环数据采集系统电路研制,激光杂
7、志,2015(7):19-22房思超,刘昱峰,王彪,用于激光TDLAS检测系统的模块化驱动单元电路设计,激光杂志,2016(5):52-55刘昱峰,王彪,杨凯,陈垒,陈越,宁永强,TDLAS检测技术气体吸收过程的仿真研究,激光杂志,2017(3):37-40作为通讯作者、指导硕士研究生论文:第一作者:代表性学术论文 发光学及应用国家重点实验室:半导体激光技术及应用研究组核心研发人员35人,其中具有高级职称人员17人, 研究领域涵盖半导体光电子理论设计、材料外延、工艺制备、应用系统研发;拥有1.1亿元设备。从外延到封装的全链条VCSEL半导体激光中试线,近五年发表论文148篇,其中SCI论文61
8、篇,VCSEL相关论文34篇。课题组情况课题组已经过十余年的VCSEL研制历程,在VCSEL设计、制备、封装测试具有丰富的经验和完善的技术手段。具有多种VCSEL器件结构设计、性能模拟软件拥有1400的千级超净实验室,具有一整条从MOCVD外延生长、工艺制备、封装测试的产线系统课题组研究平台MOCVD外延ICP干法刻蚀掩膜制备光刻机磁控溅射镀膜机高精度光刻机课题组情况课题组研究平台多通道逻辑分析仪1GHz混合信号示波器激光气体吸收检测系统相关研发设备气体光谱吸收实验室激光光谱分析仪课题组情况国家技术发明及国家科技进步二等奖各一项 中国专利优秀奖一项科技部授予“大功率半导体激光重点领域创新团队”
9、称号 57相关研究获得国家二等奖2项及省部级一等奖7项课题组情况2、激光气体TDLAS检测技术 近年来,城市化进程的不断加快使得大气污染气体、温室气体得到大量排放;化工生产行业的迅猛发展导致有害气体的迅速增加;而可燃气体的广泛使用,大大增加了人们生活中的潜在危险。应用领域:大气污染气体的时空分布监测CO2、N2O、O3等工业生产过程中毒害气体的含量监测H2S、NH3、NO、SO2、Cl2等易燃易爆气体的实时监测H2、C2H4、C2H6、CO、CH4等应用背景及领域应用背景:激光酒驾遥感自动快速预检系统分布式激光甲烷多点检测系统(1)国家重大科研仪器设备研制项目: 采用VCSEL核心激光光源的微
10、型化普适型 TDLAS气体检测系列模块的研制(2)国家重点研发计划重点专项项目: 有源红外气体传感材料与器件及应用(3)国家自然科学基金青年基金项目: 面向酒驾检测的可调谐半导体激光器 及反射式 TDLAS 技术研究(4)国家公安部重点研究计划项目 酒驾遥感激光自动快速预检仪及系统的研制(5)吉林省科技厅重大科技招标专项项目: 大气污染气体激光检测系统的研制(6)吉林省科技厅重点科技攻关项目: 新型高精度集成化激光雾霾检测仪的研制项目课题来源 气体检测方法半导体式: 利用半导体气敏元件作为敏感元件进行检测 红外吸收式: 通过气体在红外波段的吸收光强改变进行检测催化燃烧式: 通过催化燃烧产生热量
11、改变器件阻值进行检测热传导式: 利用气体的导热系数与空气的差异进行检测TDLAS式:可调谐半导体二极管激光吸收光谱 通过气体对激光的二次谐波吸收进行检测1.DFB光源式 : 分布反馈式激光器作为光源2.VCSEL光源式: 垂直腔面发射激光器作为光源传统气体检测方式新兴技术激光气体TDLAS检测技术 16对于不同的检测对象,可以采用不同波长的激光光源进行检测。TDLAS: Tunable Diode Laser Absorption Spectrometry“可调谐半导体二极管激光吸收光谱”检测技术。TDLAS气体检测技术原理气体分子对激光进行“选频”吸收激光能量吸收程度取决于气体浓度激光气体T
12、DLAS检测技术 VCSEL激光光源型:垂直腔面发射激光器阈值低、功耗低、体积小、光束质量好、易单片集成。DFB激光光源型:分布反馈式激光器工艺成熟,但相对功耗较高、成本较高。DFBVCSELTDLAS检测技术的构成激光气体TDLAS检测技术 1. 采用VCSEL核心激光光源的微型化普适型TDLAS气体检测系列模块的研制,2018-2022年,1077万,主持,基金委国家重大科研仪器设备研制项目2. 有源红外气体传感材料与器件及应用,2017-2020年,1478万,子课题主持,国家重点研发计划重点专项项目3大气污染气体激光检测系统的研制,2016-2018年,100万,主持,吉林省科技厅重大
13、科技招标专项项目4酒驾遥感激光自动快速预检仪及系统的研制,2012-2013年,60万,主持,中国公安部重点研究计划项目5面向酒驾检测的可调谐半导体激光器及反射式 TDLAS 技术研究,2014-2016年,31万,主持,国家自然科学基金青年基金项目项目:(1)一种酒驾遥感快速激光自动预检装置(2)酒驾遥感快速激光自动预检装置(3)用于酒驾检测的时分复用差分调制激光器驱动装置(4)一种用于反射式激光酒驾检测的单光源分时差分动态标定激光驱动模块(6)基于二元化光谱分技术的乙醇气体浓度遥测方法专利:代表性的项目、专利LD激光器恒流驱动及调制LIA锁相放大检测LD激光器TEC高精度温度控制系统DDS
14、双路相关信号的产生系统整体交互管理TDLAS气体检测关键技术的单元构成光学机械系统:集成一体化设计整体性能稳定标准化模块接口:通用接口方式易于后续嵌入式应用电学控制系统:多硬件单元及软件智能算法协同光机电集成一体化设计保证整体检测模块具备高稳定性、高一致性,高易用性。TDLAS气体检测应用模型激光气体检测系统主控电路板TDLAS气体检测系统部分样机LIA锁相放大检测锁相放大信号检测:其实现了对锁相放大输出信号的差分处理,以及自适应阈值检定,配备声光报警功能,适用于需要差分检测以及动态阈值检定的应用场合。TDLAS气体检测系统部分样机核心激光器驱动及谐波检测波形图a.激光器驱动调制波形 图b.
15、二次谐波检测波形 TDLAS气体检测系统部分样机参数反射次数:435, 总光程:54.6 米尺寸: 16.9 x 6.6 x 5.3 cm3多反射气体吸收气室设计TDLAS气体检测系统部分样机3、激光气体TDLAS技术应用激光气体TDLAS检测技术1.CH4、C2H6单气体传感器天然气可燃冰(CH4,C2H6为主的C,H化合物)是近几年来最炙手可热的新型清洁能源。随着天然气被大量应用于民用燃料,其低浓度下遇明火即产生爆炸的安全隐患也愈发凸显,此时安置一个天然气泄露检测系统就显得尤为重要,我们所研制的CH4、C2H6单气体传感器就完全可以胜任这个任务,相比于传统的传感器还具有体积小,响应时间短,
16、使用寿命长等特点。天然气泄漏监测系统: 单组分CH4传感器采用两层光路结构设计尺寸: 32 20 17 cm3 性能指标:探测下限 1.4 ppbv 4 s中红外光谱技术,TDLAS-WMS 技术环形密集光程积分技术(Stephen So.)1.CH4、C2H6单气体传感器3291 nm ICL激光器;双层光学传感结构;54 m长光程多通池;高精度背景/吸收峰拟合算法;环境监测应用上图:7日监测CH4平均浓度为1.96 ppmv下图:CH4浓度的日变化0-7 am,CH4浓度呈上升趋势。8 am - ,逐渐减小, 1.87 ppmv。与美国莱斯大学合作开发所进行的外场测试1.CH4、C2H6单
17、气体传感器休斯顿市起点(莱斯大学校园)终点(清洁能源CNG ORourke站)IEEE Photon. Technol. Lett., 2016, 28(21): 2351-2354. (SCI)1.CH4、C2H6单气体传感器天然气泄漏监测系统: 单组分C2H6传感器采用单层光路结构设计尺寸: 36 18 13cm3 性能指标:探测下限 1.05 ppbv 4 s;239 pptv 208 s中红外光谱技术,TDLAS-WMS 技术环形密集光程积分技术(Stephen So.)2.CH4、C2H6单气体传感器Sensors and Actuators B, 2016, 232: 188194
18、(SCI)Appl. Phys. B, 2016, 122, 185. (SCI)2.CH4、C2H6单气体传感器光机所Picarro公司新汉普郡大学ABB-LGR 公司Aerodyne公司检测方法MIR TDLASNIR CRDSMIR TDLASNIR OA ICOSMIR TDLAS灵敏度/积分时间1.19ppb/4s1-2 ppb/60s15 ppb/60s2 ppb/s 20 m),体积仅为75mL,成本仅为商用产品价格的1/6。4.12CH4/13C2H6气体同位素传感器R 由于同位素的放射性特性,使其在医疗领域有着无可替代的地位。在检测胃肠疾病时,人们常常服下含有C13的胶囊,然
19、后根据其呼出气体CO2中C12和C13的比例来判断患者有无某种胃肠疾病,我们的12CO2/13CO2双气体传感器由于可以同时检测12CO2和13CO2的含量,所以可以很完美的完成这项检测任务;另外此传感器也可用于海底气体探测。 5.12CO2/13CO2气体同位素传感器国家重点研发计划项目“近海底高精度水合物探测技术”子课题12CO2/13CO2气体同位素传感器 性能指标:探测下限 12CO2/13CO2 90 ppbv 5s,20 torr 5.12CO2/13CO2气体同位素传感器中红外波长调制光谱技术6.中红外波长调制光谱技术4、激光TDLAS遥感酒驾检测系统的研制1、激光酒驾遥感自动快
20、速预检系统“透射式激光酒驾预检系统”研制成功 长春光机所率先开展了此项研究近两年时间,在国家公安部重点计划项目 “酒驾遥感激光自动快速预检仪及系统的研制”的支持下,在共同项目承担单位“吉林省公安厅交通管理局”的协助下,已于2012年完成了透射式检测样机的研制工作。激光TDLAS遥感酒驾检测系统2、在国家公安部重点项目支持下所研制完成的“透射式激光酒驾预检系统”的整体原理样机:原理样机3、原理样机主机:原理样机4、原理样机的主激光发射器内部结构:原理样机5、“国家重大科学仪器专项” 采用VCSEL核心激光光源的微型化普适型TDLAS气体检测系列模块的研制 同时随着新兴互联网和物联网的快速发展与广
21、泛应用,对于气体检测仪器设备也提出了朝向微型化、模块化、智能化、网络化方向发展的需求。项目需求虽然目前的气体检测仪器品类众多,但受限于器件体积、检测精度、器件寿命等因素,尚不足以满足对于气体检测的规模化和大众化的需求。因此研制一种微型化、普适型的气体检测模块,使其可以更加便捷地嵌入到各种检测场景当中,将会极大地提升对于气体检测的工作效率。指南资助具有广泛应用前景的新颖科学仪器和部件的研制重大仪器专项嵌入无线通信设备 微型化的气体检测模块,通过统一的接口标准,可以方便地嵌入到各种便携式或固定式的检测平台当中,其应用场景具有普适性。项目概要搭载无人机设备嵌入信息屏幕嵌入有线通信设备嵌入手持设备体积相当于3个烟盒叠放大小(10 x10 x9cm3)搭载移动车载设备重大仪器专项嵌入不同尺寸类型设备独立式气体检测应用方式:嵌入式气体检测应用场合:显示器气体检测模块独立的气体检测仪 模块本身具备完整 的气体检
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