Miniaturized and Portable Laser Gas Sensor for Standoff Methane Detection With Non-Cooperative Targets

激光器 校准 光学 甲烷 检出限 可调谐激光吸收光谱技术 材料科学 计算机科学 可调谐激光器 物理 化学 色谱法 量子力学 有机化学
作者
Jinyi Li,Wei Ma,Zebin Wang,Yun Zhou,Lingui He,M. C. Lin,Yue Ji
出处
期刊:Applied Spectroscopy [SAGE]
卷期号:78 (1): 76-83
标识
DOI:10.1177/00037028231210586
摘要

A standoff methane (CH 4 ) sensor with actual hard topographic targets (usually called non-cooperative targets) is essential for natural gas pipeline leakage inspection and many other practical applications. To address this requirement, a miniaturized and low-power-consumption gas sensor was developed based on tunable diode laser absorption spectroscopy for standoff CH 4 detection with a non-cooperative target. Wavelength modulation spectroscopy with a 1 f normalized 2 f detection method was employed for calibration-free CH 4 measurement. A Kalman filter algorithm was used to improve the precision of the detection. The performance of the standoff CH 4 sensor was evaluated comprehensively under various conditions, including different incident angles, different hard topographic targets, and different standoff distances. The results show that the measurement precision is 0.107% and the sensitivity is 4.08 parts per million per meter (ppm·m) with a time resolution of 1 s and a standoff distance of 40 m. The detection limit can achieve 1.24 ppm·m at an optimal integration time of 70 s. This sensor can be easily integrated into mobile platforms, which lays the foundation for intelligent leak inspection.
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