低频噪音检测

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

为促进电子显微学研究、电镜应用技术交流，打破时空壁垒，仪器信息网邀请电子显微学领域研究、技术、应用专家，以约稿分享形式，与大家共享电子显微学相关研究、技术、应用进展及经验等。同时，每期约稿将在仪器信息网社区电子显微镜版块发布对应互动贴，便于约稿专家、网友线上沟通互动。专家约稿招募：若您有电子显微学相关研究、技术、应用、经验等愿意以约稿形式共享，欢迎邮件投稿或沟通（邮箱：yanglz@instrument.com.cn）。本期将分享张承青老师为大家整理的关于电镜实验室环境对电镜的影响的系列约稿经验分享，以下为系列之六，以飨读者。（本文经授权发布,分享内容为作者个人观点, 仅供读者学习参考,不代表本网观点）系列之六 低频振动环境改善《外部振动对电子显微镜的影响及处理》一文第一稿于2010年1月完成，本篇主要内容来自该文。以前从未署名投稿，本次做了一些补充修改，第一次署名。还是怕产生误解，再说明一下吧。首先我们来探讨一下电镜实验室低频振动的形成原因。在室外，如马路上、室外篮球场、操场等环境本人都曾经尝试过检测低频振动并试图发现是否存在共性。遗憾的是，从0到125赫兹频率范围内，1/3倍频程测试的包络线来看，不同的地方基本没有共性，所以结论是：这些室外环境的低频振动主要由环境物理振动产生，包括火车汽车、潮汐海浪、江河水流、远处的地下施工、甚至可能还有地球的物理震动等等。低频振动频率低、波长长，所以可以传递到很远地方而衰减不多。那么，建筑物内的低频振动是不是也是这个原因呢？大量的实测数据却显示建筑物内的低频振动主要不是由某处（不管是不是在同一建筑物内）传递过来的，而是主要由建筑物自身谐振造成的（一开始我自己也怀疑这个观点是否正确，带着疑问又继续收集归纳和总结了一百多个场地测试数据，最后还是只有用“建筑物自身谐振”来解释电镜实验室的低频振动才能说得通。实例1：多次开/关近旁的小型振动源，发现对测试结果基本没有影响，相信是牛顿第二定律F=ma所揭示的客观规律：振动源功率（F）太小，无法撼动数千吨的建筑、不能引发谐振。实例2：（实际上这不是某一次测试，许多次的测试都是同样结论，为叙述方便，都归纳到一个实例中）：哈尔滨某大学一楼（无地下室）、二楼、四楼、六楼和八楼的测试中发现，楼层越高振大；实例3：在苏州某半导体公司厂房内（二楼，该厂房结构粗大，相当结实）做对比测试：分别在柱边、墙边、梁边和房间正中央（该室约六十平方米，接近正方形）测试振动，结果惊讶地发现：基本相同！后来在不同城市不同建筑内测试，情况都是这样！实例4：很多测试都有一个共同结果，就是3～8Hz的振幅包络线产生一个峰值，其它频段则不然（或是没有峰值，或是峰值段无规律）。经向一位退休建筑师请教（当年天天坐公交车上班认识的，祝老先生健康长寿），我们分析是由于我国工民建标准造成，梁柱板墙规格、混凝土砂浆比例、进深开间配筋等等，这些因素致使3～8Hz的谐振构成谐振峰！实测数据还推翻了之前我以为房间中间振动会比其它地方大的错误认识，并且进而得出“低频微振是整个楼房的谐振”这一推论。在所谓“条式楼”的测试中也多次发现沿楼房长轴方向的水平振动，明显会比短轴方向小；实例5：在某大学一楼（无地下室）、二楼、四楼、六楼和八楼的测试中发现，楼层越高振大；结论：多次测试结果都证明，低频振动主要是由该建筑的谐振造成。中国的工民建规范基本一致（层高、进深、开间、梁柱截面、墙、地梁、筏板，等等），虽然有差别，但是不大，特别是对于低频谐振来说，大致可以找到共性。一般来说有如下规律：1.建筑平面形状为条式和点式的建筑，其低频谐振都比较大；其它如工字型、王字形、L形、八字形、H形、口字型、日字形等等低频谐振都较小；2.最常见的条式楼里沿长轴方向的振动往往明显比短轴方向小；3.同一建筑内，没有地下室的一楼振动最小，楼层高越高振动越差，有地下室的一楼振动与二楼接近，地下室最下层振动最小；4.垂直方向的振动比水平方向大且与所在楼层无关（当然是在同一楼层测试比较）；5.楼板越厚，则振动的垂直方向与水平方向相差越小（我曾经多次从测试数据成功推测出楼板厚度），绝大多数情况下振动的垂直方向比水平方向大；6.除非有某个大型振动源，同一层建筑的振动都基本相同，无论是房间中间，或者是靠近墙边、靠近柱子、横梁上方等各处，都基本一样（注意，即便在同一位置不动、间隔几分钟再测试，极可能数值都是不完全一样的，个别频点可以相差百分之五十以上）。好了，既然我们现在明白了低频振动的来源和特点，那就可以有针对性的采取改进措施和提前预估某环境的振动情况啦。由于改善低频振动成本较高，有时受环境条件限制，某些方法完全不能应用（参见下面的讨论），所以实际工作中，经常是选择/更换较好场地做电镜实验室来得事半功倍。下面我们讨论一下低频振动的影响和解决方案。20Hz以下的低频振动对电子显微镜的干扰影响很大，参见以下两图。图一 图二图一与图二是由同一台扫描电镜拍摄的高分辨图像（均为300kx）。但是因为存在振动干扰，图一的水平方向（分段）有明显的毛刺，并且图像的清晰度和分辨率明显下降。消除了振动干扰后得到同一样品的图像为图二（有没有“赏心悦目”的感觉？）。如果测试结果表明准备安装电镜的场所振动超标，则必须采取适当措施，否则电镜厂家不能保证电镜安装后的性能可以达到最佳设计标准。一般可以选择混凝土减震台（Anti-Vibration Foundation）、被动式减震器(Passive-Vibration Isolation Platform)、主动式减震器(Active-Vibration Isolation Platform)等几种方法来改善或解决。混凝土减震台需要现场施工，且必须采取特殊方法（底部和周围有弹性软垫层等），一般的土建施工方法有可能反而增加低频（20Hz以下）振动。施工中有大量土建材料进出难免影响周围环境。混凝土减震台的示意图见图三。图三质量在50吨左右的混凝土减震台，其减振效果一般可以达到2Hz以上约-2～-10dB。混凝土减震台的质量越大减振性越好，条件允许的情况下应尽可能大些（经多地多次实测，小于5吨的减震台在1～10Hz低频段内有谐振，反而增大了振动；小于20吨的基本无效，能够起到减振效果的须大于30吨，暂无30～40吨的数据，尽量不要低于50吨；北京某大学一两百吨减震台效果良好；重庆某研究所，地面混凝土直接做在巨大山石上，环境极差，但测得振动值极小）。在被动式减震器中，一般常用的橡胶、钢弹簧、空气弹簧（汽缸）等方式的减震器因为它们在20Hz以下的低频段效果很差，甚至往往由于谐振反而加大了振动，所以不考虑采用。只有磁力减震器的低频效果尚可，但是其性能还是远不如主动式减震器（与混凝土减震台的减振效果相近）。图四是几种减震方式的效果比较。图四 几种减震方式的振动传输特性比较仔细观察图四，我们有以下结论：1．碳素钢弹簧的谐振频率（fh）大约为50Hz，在70Hz以下的低频段不但没有减震效果，反而由于谐振而加大了震动。橡胶垫的fh大约为25Hz，在35Hz以下的低频段不但没有减震效果，反而由于谐振而加大了震动。2．小于5吨的混凝土减震台在10Hz以下有谐振加大振动，还不如不做。3．空气弹簧的fh大约在15Hz左右，在25 Hz以上有较好的减震性，在40 Hz以上有良好的减震性，所以被广泛应用于光学平台等精密仪器设备的减震。但是它在20 Hz以下同样有较大的谐振，所以不宜作为电镜减震的选项（有些电镜内部采用空气弹簧减震，相信那是不得已而为之）。在做低频减震处理时，以上几种减震方式不要考虑选用。4．磁力减震器低频减震效果尚可，要求不高的情况下可以选用。5．各种主动式减震器效果都是相当好的。它们的谐振频率可以低到1 Hz以下，2～10Hz的减震效果可以达到-10～-22dB，非常适用于对低频段减震要求较高的场合。（据说最新科技产品“超级橡胶”有具良好减震性能，看到电视上说已在港珠澳大桥上应用，很想能搞一小块来测试一下是否可以应用在电镜方面，但是朋友答应的样品迄今不见踪影。有人能帮我搞块样品吗？先谢了。）一般我们认为，对于电镜来说20 Hz以下的低频振动影响大并且难以防范。由于绝大多数人不能感受到20 Hz以下的低频振动，所以经常发生明明有较大的低频振动，却因为感觉不到而误认为没有什么振动。被动式减震是利用减震设施的质量、固有振动传递特性等物理性能来达到隔阻和减弱外部振动对电镜的影响。被动式减震器的工作原理可参考图五。图五主动式减震器的工作原理与被动式相比有很大差异。各种类型的主动式减震器工作原理基本相同，都是由一个三维探测器检测到三维方向传来的外部振动后，由PID控制器发出等幅反相的控制信号，再由执行机构产生等幅反相的内部振动来抵消（或减弱）外部振动的干扰。主动式减震器的工作原理可参考图六。图六主动式减震器一般常用的有压电陶瓷式、空气式、电磁式等。它们的区别主要是执行机构不同，而三维探测器和PID控制器基本都大同小异。压电陶瓷式：利用压电陶瓷的晶体压电效应产生等幅反相的三维内部振动。空气式：由PID控制器控制进（排）气阀，连续可控的压缩空气在特殊的汽缸内产生等幅反相的三维内部振动。电磁式：PID控制器分接控制三组电磁铁产生等幅反相的三维内部振动。主动式减震器的减振效果可以达到20Hz以上约-22～-28dB（实测过许多号称可以达到-38dB的，但是，只能说：抱歉）。不同形式的主动式减震器价格亦有较大的差异。各种减震器一般在电镜就位安装之前准备好，与电镜同时安装。另外在某些特定的条件下，减震沟也可以取得较好的减震效果。图七是减震沟有效的情形。图七 图八是减震沟无效的情形。 图八一般来说，减震沟越深减振效果越好（减震沟宽度对减振效果影响不大）。常见的几种减震方法对比参见下表：电镜减震，与处理桥梁、楼宇、风振、地震等有些共通之处，但是区别更大，绝不能生搬硬套。目前国家在低频微震领域还没有必须的相关理论依据、设计规范、设计标准、设计案例、各个工民建设计单位基本都没有配备专业检测仪器，所以，和前面讨论过的低频电磁屏蔽一样，当前没有“有资质的设计部门”来做专业设计。2020.11张承青作者简介作者张承青，退休前在某电镜公司工作多年，曾经做过约两千个（次）电镜环境调查、测试，参与多个电镜实验室设计及改造设计规划，在低频电磁环境改善和低频振动改善等方面有些体会，迄今仍在这些方面继续探索。附1：张承青系列约稿互动贴链接（点击留言，与张老师留言互动）： https://bbs.instrument.com.cn/topic/7655934_1附2：张承青系列约稿发布回顾拟定主题发布时间文章链接序言 电镜实验室环境对电镜的影响2020年10月13日链接系列之一 电子显微镜实验室环境调查的必要性2020年10月15日链接系列之二 电镜实验室的电磁环境改善2020年10月20日链接系列之三 低 频 电 磁 屏 蔽 实 践2020年10月22日链接系列之四 主动式低频消磁系统2020年10月27日链接系列之五 几种改善电磁环境方法比较2020年10月29日链接系列之六 低频振动环境改善2020年11月3日链接系列之七 谈谈电子显微镜的接地2020年11月5日链接系列之八 温度湿度和风速噪声2020年11月11日链接… … … … … … 附3：相关专家系列约稿安徽大学林中清扫描电镜系列约稿

项目编号：0705-224002028090项目名称：复旦大学宽谱光电探测低频噪声分析系统采购国际招标预算金额：140.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：136.0000000 万元（人民币）采购需求：1、招标条件项目概况：宽谱光电探测低频噪声分析系统采购资金到位或资金来源落实情况： 本次招标所需的资金来源已经落实项目已具备招标条件的说明：已具备招标条件2、招标内容：招标项目编号：0705-224002028090招标项目名称：宽谱光电探测低频噪声分析系统采购项目实施地点：中国上海市招标产品列表(主要设备)：序号产品名称数量简要技术规格备注1宽谱光电探测低频噪声分析系统1套频率范围不窄于：2 Hz to 50 GHz预算金额：人民币140万元 最高限价：人民币136万元 合同履行期限：签订合同后4个月内合同履行期限：签订合同后4个月内本项目( 不接受 )联合体投标。