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长程吸收光谱技术在二氧化碳检测中的运用

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胡映琳

摘要：超标的二氧化碳会影响到人们的身体健康，所以实时对气体的检测非常关键。应用波长调制-二次谐波法（WMS-SH），在有效光程38.4m的情况下，结合起 TDLAS 技术和长程吸收光谱技术，测量1.43μm 附近气体，基于0.15个大气压下的二次谐波信号，浓度-信号强度线性方程经性拟合得到，且反演二氧化碳浓度，以及对系统的性能做出评估。此文致力于研究在二氧化碳检测中，对长程吸收光谱技术的应用。

关键词：TDLAS；二氧化碳；二次谐波检测；长程吸收光谱技术

大量的二氧化碳因工业和交通的发展被排放，因此逐年增加了大气中二氧化碳的浓度，对全球的环境和生态系统产生深远影响。 TDLAS 是可调谐二极管激光吸收光谱，具有响应时间快、灵敏度高、选择性好等优点，是测量气体浓度的一种技术。此文致力于研究在二氧化碳检测中，对长程吸收光谱技术的应用，期望可提高系统的检测精度。

1 实验设计和分析

针对于痕量气体检测的需求，过低的灵敏度无法满足，而直接吸收方法能够直接测得气体的浓度，尽管方法较为简单，但是其较容易受到噪声的干扰。行高频调制的方法，针对于激光器频率，能够把噪声带来的影响显著性减小，且频率调制光谱（FMS）和波长调制光谱（WMS），是现如今常用的，在原理上两者间的差异不大，本文主要是展开对波长调制-二次

谐波（WMS-SH）法的介绍。波长调制技术因其实现方法简单，以及检测灵敏度高等优势特色，能够和直接检测技术互补，在痕量气体检测领域获得广泛性应用[1]。

为了提升检测痕量气体的灵敏度，增加光程，本文结合起了可调谐二极管激光器及多次反射池，测量1.43μm 附近气体，基于0.15个大气压下的二次谐波信号，浓度-信号强度线性方程经性拟合得到，且反演二氧化碳浓度，采用多次反射的方法，检测出大气中 CO2 浓度。此种多通池，通过平行放置5 块曲率半径相同的反射镜构成，是基于 Chernin型结构，除了排气口和进气口是通过标准池和阀门与真空泵相连，剩下的均采用的是真空脂密封。密布的光斑可形成于镜面上，做到降低成本，实现长光程[2]，同时可保证有效应用镜面，并减小系统体积。此多通池的镜面反射次数为32，基长1.2，体积，2.57L，有效光程是38.4m。

光源选择的是中心波长为 1.43μm的 DFB 二极管激光器，此激光器的电流和温度是通过 LDC-3724B控制器控制的。经信号发生器，实现激光器的调制，产生 10 kHz 的高频正弦波调制信号，以及 10 Hz 的低频三角波信号。此处不需读取实时波长，因实验室已经标定了激光器的波长。激光器的输入电流是60mA，温度控制在31.2℃。基于此条件下，此激光器输出功率约为2.75mW，波长为1.431896μm。通过出光口，在多次反射之后出射，并汇聚到光电探测器上，经 f = 50 mm的会聚透镜，并对信号进行二次谐波检测，经锁相放大器，二次谐波信号经数据采集卡得到，最后进行数据分析处理，将其输送到 Lab-view 软件。

2 系统评估

在无任何调制信号时，激光二极管的工作电流为 60 mA，实验中工作温度为 32.1℃。选择低频三角，峰值 600 mV 、频率为10 Hz，叠加到工作电流中，在某个范围内促使输出激光的频率会发生往复变化，同时其作为扫描信号，可完成连续性对气体吸收谱线的扫描。存在的10 kHz 的高频正弦波信号，便是另外一个激光二极管的调制信号，在调制激光器的时候，还要输送参考信号到锁相放大器。针对于不同浓度气体，经 Chernin 池展开的测量，能够实现对气体浓度的反演，同时可以把二次谐波信号强度和气体浓度的线性方程拟合出来。系统均需在实验过程中固定环境温度（32.1℃）和同一压强（0.15atm），方便后期评估系统的性能[3]。可选择高纯度 N2，在把多通池内抽真空后，对吸收池进行润洗。在标准池中，等到再次抽真空后，分别做到把高纯度 N2和CO2 标准气体通入，将不同浓度的二氧化碳气体配制出来，分别是7%、9%、11%、 1%、3%、5%，依次通入 Chernin 型吸收池，采集相应的二次谐波信号，并直到0.15atm为多通池内压强程度。在结束实验之后，在通入高纯度 N2之前，需先抽取真空，对吸收池进行润洗，最后通入下一浓度 CO2标准气体，当最后抽取真空时，从而进行实验。可选择多次取样累加平均方法，为了降低噪声对信号的影响采集数据。上述存在的浓度的 CO2 气体二次谐波信号，可通过 Origin 软件处理数据后得到。

二次谐波信号强度和气体浓度间存在某种函数关系，可以线性拟合 CO2 浓度和二次谐波信号强度，从而进一步分析数据。相较于之前的5点，信息强度当CO2 浓度在 11%时，显然是不在同一直线上的。经一定分析，推测出产生的误差，是因为对 WMS 的弱吸收条件的破坏，以及CO2 浓度过高，造成的非线性关系[4]。气体经样品吸收池衰减后，当 IσcaL ≤ 1 时，则其强度能够表示成I（υO，t）=∑∞n=oAn（υO ）R a cosnωtY4Y这一余弦傅里叶级数的形式。可反映出线性关系很好，当系统处于低浓度条件下时。经线性拟合低浓度下图像，可得出γ= 11. 811 69x + 0.07689 Y5Y的线性方程。在低浓度下，按照有关系数反映出的相关性， CO2 气体的浓度，此系统下依旧能够反演。大气中 CO2 的浓度，通过拟合出的线性方程得到为0.0358%，等同于实际大气中 CO2 浓度的典型值。经验证，此系统能够实现实时性对二氧化碳浓度的监测。

3 结语

结合起来的与 TDLAS 技术和长程吸收技术，对 CO2 气体浓度通过应用波长调制-二次谐波技术进行了探测，且基于有效光程为38.4m的条件下，实现了对大气中 CO2 浓度的探测，经拟合线性方程，并验证此系统能够实现实时性对二氧化碳浓度的监测，具有实用性和可行性。

参考文献：

[1]张国贤，杨锦，陆恒，等.长程吸收光谱技术在二氧化碳检测中的应用研究[J].煤炭科技，2017，（2）：25-27.

[2]林攀攀.基于LED差分吸收光谱技术的大气NO2浓度测量研究[D].安徽理工大学，2016.

[3]朱国梁.基于高分辨率差分光学吸收光谱技术的OH自由基定标方法研究[D].中国科学院大学，2015.

[4]王丹.基于腔衰荡光谱技术测量大气NO3自由基的研究[D].中国科學院大学，2016.

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