基于TDLAS技术的农业场景二氧化碳与氨气气体在线检测仪研究与开发

成果基本信息
关键词：	气体检测;TDLAS技术;传感器
成果类别：		技术成熟度：
体现形式（基础理论类）：		体现形式（应用技术类）：	无
成果登记号：	EK2018D120208001099	资源采集日期：	2019-04-15

研究情况
单位名称：	武汉市农业科学院	技术水平：
评价证书号：		评价单位：	武汉市科学技术局
评价日期：	2017.06.08	评价证书号：

转化情况
转让范围：		推广形式：	无
已转让企业数（个）：	0

联系方式
联系人（平台）：	玉女士	联系人（平台）电话：	0771-5885053
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成果简介
课堂来源于武汉市科学技术局应用基础研究项目，编号：2015021701011612 　　项目背景：传统的气体实时检测方法通常是首先对气体进行除尘、去水等预处理，然后通过不分光红外气体分析仪进行检测，或者电化学等方式检测。这种检测方法获得的气体信息易失真，标定周期短，响应时间长，无法做到实时检测，或者设备寿命不长。TDLAS是Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy（可调谐半导体激光吸收光谱）的简称。该技术利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性实现对分子的吸收线进行测量。这种测量方法现在已经发展成为了非常灵敏和常用的大气中痕量气体的监测技术。本项目选择基于TDLAS(可调谐激光吸收光谱)技术的气体检测系统对农业生产环境气体进行在线检测，优势在于无需预采样，实地测量，气体信息不易失真，定时自动标定，无需手动标定，响应时间短，在农业生产中二氧化碳、氨气等气体的实时检测方面有广泛的应用前景。本项目设计的新型传感器采用可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术进行气体浓度的测量，以朗伯比尔定律为理论基础，气体吸收特定波长的激光后，由探测器接收衰减后的光信号，并对该信号进行处理计算，得出气体浓度。设计的传感器能够完成气体浓度的在线、实时测量，并以数字量形式显示和标准接口信号输出。　　性能指标如下： 1）检测浓度范围:0~100%; 　　2）线性精度:<士0.1% FS; 　　3）最小分辨率:0.01% FS; 　　4）响应时间:< 1S; 　　5）电源供电:220VAC 5OHz,<30W; 　　6）具有温度和压力自动修正功能。　　项目在理论上摒弃了传统的电化学和红外监测手段，采用最新的TDLAS技术进行气体浓度的测量方法研究，主要是研究了二氧化碳，氨气等气体吸收谱线的选择，温度和压强对气体吸收谱线的影响和修正方法，并在此基础上研究利用波长调制和谐波检测原理快速进行气体浓度检测。　　（1）气体监测速度快，响应快速，1秒内可达95%响应度；　　（2）气体空间测量范围灵活可调，5cm-10m直线范围测量；　　（3）极宽的气体测量范围，从ppm0-100%浓度的测量；　　（4）对气体既可以定性测量（安全报警）也可做定量分析；　　（5）高稳定性，高可靠性，长寿命。　　本气体传感器可广泛应用于如下现代农业领域的气体检测　　（1）农业温室大棚、水果园、花卉园等二氧化碳气体检测。　　（2）牲畜如猪舍、家禽等养殖的的氨气气体检测。　　项目研发试制成功后，可以在此基础上研究其他种类气体的在线检测，例如CO、H2O、NH3、CH4、C2H2、H2S等。将本项目研发的2套样机在武汉市新洲区东泰猪场进行试验研究，通过试验对比数据可以看出，电化学传感器在10天之后的浓度数值相对于激光气体传感器出现偏低，并且在月末下降至接近50%的读数，但其变化规律基本保持一致。可以看出电化学传感器由于探头内有效敏感物质的消耗带来的响应度的降低，对于气体浓度的变化趋势可以起到一定的检测作用，但不能作为定量测量的依据。激光气体传感器在一个月内呈现出较好的规律性，并且没有出现随着使用时间而逐步失效的现象，因此可以认为在这种被测气体持续存在的场合使用激光原理的气体传感器具有明显的寿命优势。　　存在问题：1、激光发射器在成本上比较高，因此单个基于TDLAS技术的气体传感器在价格上会相应比较高，需要开发出多点分布式测量的方式，即一个传感器可兼顾监测多点的测量方式，在价格上面具有优势。　　2、目前在原理与技术上已经基本解决了相关科学问题，在实际生产实践中的应用与推广由于时间关系，没有得到充分的验证，在问题的发掘与产品质量的提升上还具有一定的空间。　　3、传感器设备没有大批量化的生产与应用，在产品外观上稍显粗糙，具有优化空间，产品的种类由于经费与时间问题还没有成为系列化的产品。

成果名称：	基于TDLAS技术的农业场景二氧化碳与氨气气体在线检测仪研究与开发	关键词：	气体检测;TDLAS技术;传感器
成果类别：		一级分类名称：	农业信息技术
二级分类名称：	农村信息化	三级分类名称：
研究起止时间：	2015.12 至2017.06	成果体现形式（应用技术类）：	无
成果属性：		成果体现形式（基础理论类）：
技术成熟度：		技术水平：
研究形式：		学科分类1：
单位名称：	武汉市农业科学院	学科分类2：
中图分类号1：		所属高新技术类别：
中图分类号2：		课题来源：
应用行业：		课题立项名称：
国家科技计划子类别：		课题立项编号：	2015021701011612
经费实际投入额（万元）：	15.00	评价单位：	武汉市科学技术局
评价形式：	无	应用状态：	无
评价日期：	2017.06.08	转让范围：
评价证书号：		推荐单位：	武汉市科技局
推广形式：	无	成果登记号：	EK2018D120208001099
成果简介：	课堂来源于武汉市科学技术局应用基础研究项目，编号：2015021701011612 　　项目背景：传统的气体实时检测方法通常是首先对气体进行除尘、去水等预处理，然后通过不分光红外气体分析仪进行检测，或者电化学等方式检测。这种检测方法获得的气体信息易失真，标定周期短，响应时间长，无法做到实时检测，或者设备寿命不长。TDLAS是Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy（可调谐半导体激光吸收光谱）的简称。该技术利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性实现对分子的吸收线进行测量。这种测量方法现在已经发展成为了非常灵敏和常用的大气中痕量气体的监测技术。本项目选择基于TDLAS(可调谐激光吸收光谱)技术的气体检测系统对农业生产环境气体进行在线检测，优势在于无需预采样，实地测量，气体信息不易失真，定时自动标定，无需手动标定，响应时间短，在农业生产中二氧化碳、氨气等气体的实时检测方面有广泛的应用前景。本项目设计的新型传感器采用可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术进行气体浓度的测量，以朗伯比尔定律为理论基础，气体吸收特定波长的激光后，由探测器接收衰减后的光信号，并对该信号进行处理计算，得出气体浓度。设计的传感器能够完成气体浓度的在线、实时测量，并以数字量形式显示和标准接口信号输出。　　性能指标如下： 1）检测浓度范围:0~100%; 　　2）线性精度:<士0.1% FS; 　　3）最小分辨率:0.01% FS; 　　4）响应时间:< 1S; 　　5）电源供电:220VAC 5OHz,<30W; 　　6）具有温度和压力自动修正功能。　　项目在理论上摒弃了传统的电化学和红外监测手段，采用最新的TDLAS技术进行气体浓度的测量方法研究，主要是研究了二氧化碳，氨气等气体吸收谱线的选择，温度和压强对气体吸收谱线的影响和修正方法，并在此基础上研究利用波长调制和谐波检测原理快速进行气体浓度检测。　　（1）气体监测速度快，响应快速，1秒内可达95%响应度；　　（2）气体空间测量范围灵活可调，5cm-10m直线范围测量；　　（3）极宽的气体测量范围，从ppm0-100%浓度的测量；　　（4）对气体既可以定性测量（安全报警）也可做定量分析；　　（5）高稳定性，高可靠性，长寿命。　　本气体传感器可广泛应用于如下现代农业领域的气体检测　　（1）农业温室大棚、水果园、花卉园等二氧化碳气体检测。　　（2）牲畜如猪舍、家禽等养殖的的氨气气体检测。　　项目研发试制成功后，可以在此基础上研究其他种类气体的在线检测，例如CO、H2O、NH3、CH4、C2H2、H2S等。将本项目研发的2套样机在武汉市新洲区东泰猪场进行试验研究，通过试验对比数据可以看出，电化学传感器在10天之后的浓度数值相对于激光气体传感器出现偏低，并且在月末下降至接近50%的读数，但其变化规律基本保持一致。可以看出电化学传感器由于探头内有效敏感物质的消耗带来的响应度的降低，对于气体浓度的变化趋势可以起到一定的检测作用，但不能作为定量测量的依据。激光气体传感器在一个月内呈现出较好的规律性，并且没有出现随着使用时间而逐步失效的现象，因此可以认为在这种被测气体持续存在的场合使用激光原理的气体传感器具有明显的寿命优势。　　存在问题：1、激光发射器在成本上比较高，因此单个基于TDLAS技术的气体传感器在价格上会相应比较高，需要开发出多点分布式测量的方式，即一个传感器可兼顾监测多点的测量方式，在价格上面具有优势。　　2、目前在原理与技术上已经基本解决了相关科学问题，在实际生产实践中的应用与推广由于时间关系，没有得到充分的验证，在问题的发掘与产品质量的提升上还具有一定的空间。　　3、传感器设备没有大批量化的生产与应用，在产品外观上稍显粗糙，具有优化空间，产品的种类由于经费与时间问题还没有成为系列化的产品。
联系人：	高星星	成果登记日期：	2018-06-07
联系人email：	253729722@qq.com	单位代码：	94206192
邮政编码222：	430065	联系人电话：	13554161187
单位传真：		单位通讯地址：	湖北省武汉市武昌区青菱乡张家湾武汉市农业科学院
单位所在省市：		单位电话：	027-88113301;13971645579
转让收入（万元）：	0	单位属性：
合作完成单位：		已转让企业数（个）：	0
成果发布年份：	2018	知识产权形式：
成果完成人：	高星星;陈鸿;肖进;王琢;罗友谊;高一川;张尉;周朝;郭振宁	资源采集日期：	2019-04-15

基于TDLAS技术的农业场景二氧化碳与氨气气体在线检测仪研究与开发

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