噪音仪原理

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10Hz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

Chemker 耐腐蚀真空泵浦 / 高真空 / 低噪音 一次满足常用实验室真空过滤等◆ 溶剂纯化 将化学溶液中的精细颗粒或杂质，经滤膜等多孔性材料阻挡去除而得到澄清目标液，称为溶剂纯化，常见于精密仪器上机分析的前处理。 化学溶液、溶剂的负压过滤常以耐腐蚀真空帮浦进行，减缓化学蒸气对泵浦的侵蚀，也藉由负压加快整体过滤速度。◆ 旋转浓缩是一种适合大体积、单一样品的分离与纯化方法。其作用原理为同时调降真空度、增加蒸发面积及温度控制，连续、大量的蒸馏出易挥发性溶剂。但蒸馏出的溶剂若不加以搜集则容易逸散于空气中危害人体及环境，因此可搭配冷凝设备回收蒸馏出的溶剂，如循环式冷凝器等。 回转浓缩机的作用物质以溶剂及化学物质为主，因此帮浦的挑选以聚四氟乙烯(PTFE)制成的耐腐蚀帮浦为最佳选择。帮浦规格的挑选，如流量应与样品瓶容积呈正比；最大真空的要求则依溶剂及其沸点不同而有很大的差异，因此真空控制器的搭配能帮助您精准的控制真空度避免突沸，大幅缩短处理时间。◆ 真空烘箱利用真空降低水或溶剂的沸点并搭配温度加热，能在较低温度下得到较高的干燥效率，特别适合热敏性、易分解、易氧化物质的干燥。 泵浦的挑选依溶液(水或溶剂)种类、目标物质的耐受温度、干燥程度及烘箱的尺寸而有不同。目标物质的耐受温度愈低则应选择较高真空的机种以降低沸点；而泵浦流量则与欲干燥的蒸气量及烘箱的体积容积呈正比。

对于家住朝晖四区的王先生来说，每天早上天刚蒙蒙亮时，房间里就会定时出现&ldquo 吱吱吱&hellip &hellip &rdquo 的声音，听起来跟鸽子叫差不多，这吵得王先生睡不好觉，情况已经持续了大半年了。 　　这怪声出现得有些诡异，伴随太阳出现而出现，跟着日落而消失。一番寻根究底之后，声源终于被找到&mdash 来自顶楼的城市空气监测站，这怪声是检测仪器发出来的。王先生有些惊讶，他不知道自家原来碰巧和这城市空气监测站做了邻居。 　　天一亮噪音定时响起 　　一业主大半年来没睡过好觉 　　昨天中午12点左右，记者来到朝晖四区25幢，王先生家住2单元，7楼。王先生家的主卧房间里，床是紧靠着东侧墙壁的，就在记者进入主卧不久，&ldquo 吱吱吱&rdquo 声音突然响起。这怪声，最初是在床头墙壁上传出来的，随后扩展到了整个房间里，断断续续持续了十来分钟后，怪声消失，其间停顿过1秒。当记者以为怪声没了，王先生提醒了一句：&ldquo 还没结束呢!&rdquo 果不其然，约20分钟后，怪声又出现了。 　　王先生说，自己是个业务员，睡眠尤其重要。可是这怪声每天出现，就像一个电动机在头顶上转一样，整个卧室充满了噪音，&ldquo 大半年了一直没睡好觉，早上5点多一有阳光，噪音就开始了。&rdquo 加上夏天要开空调，更加吵得他没法入睡。 　　因为王先生所在的这幢楼属于一梯一户，记者和王先生随后来到隔壁1单元的7楼，发现7楼竟然是国家环境空气自动监测网朝晖五区站，因没有工作人员在，防盗门紧闭。 　　再往上走来到顶楼的露台，由于是公共环境，露台没有上锁。记者推门出去，看到露台上放着众多银灰色的精密监测仪器。13台设备，面朝各个方位，采集着各自所需的空气成分。 　　一起上来的王先生，径直走到一台最靠西侧的&ldquo 太阳光度计&rdquo 仪器边上，说，噪音就是这台机器发出的。王先生解释，这台机器所处的位置，垂直往下1米多，就是王先生家主卧的方位，&ldquo 这台机器是会动的，声音就是它发出来的。&rdquo 记者观察了一会儿，确实，仪器会定时伸缩并旋转，但站在露台上，记者没有听到太响的声音。 　　噪音源自环境监测站仪器 　　监测站表示会尽快消除噪音 　　随后，记者联系了杭州市环境检测中心站。 　　据了解，朝晖四区25幢1单元7楼的这个监测站，建于2010年，中心站教授洪盛茂介绍说，2009年，环保部门在着手建设&ldquo 大气复合污染监测系统&rdquo ，当时选址朝晖五区新市街附近的小学，专门用来监测杭州居民住宅区的空气质量，特别是PM2.5，之后碰上了因空间不足而无法加装仪器的情况，经环保部门考察，一直闲置无人居住的朝晖四区25幢适合设立监测站，便向市政府申请来了。 　　对于记者反映的问题，洪教授说，噪音扰民的情况确实是头一次听到。因为建设监测站时，整幢楼还没有居民入住。为防居民搬进来后遇上噪音困扰，早在监测站点建设之初，他们就已经做过防震减噪的措施，&ldquo 因为从没建在居民楼顶的经验，那时候还经常夜里去正下方的房间体验，以此确保不扰民。&rdquo 　　从2010年监测站使用至今，正下方6楼的居民生活没有受到过影响。洪教授说，但他们没想到，这会给隔壁单元的7楼住户带去噪音。 　　给王先生带来困扰的仪器，叫做&ldquo 太阳光度计&rdquo ，洪教授解释，这台仪器用来测量太阳和天空在可见光和近红外的辐射亮度，每天会对太阳从升起到落下进行全自动跟踪，雨天或多云天就不运作了。这就解释了，为何噪音随着太阳才出现。 　　而这台仪器安放的这个位置，有其特殊性，仪器平均半小时一个周期，采集各面的阳光，大概转动70-80次，耗时8-10分钟，剩下20分钟收回。&ldquo 以前安装时，没有在早上做过亲身体验，确实是考虑不周。&rdquo 洪教授说，接下来，他们会与厂商联系，或者移动下位置，或浇筑水泥台，尽快消除对市民的影响。