萬 飛，黃 見，馮 林

(1.武漢職業(yè)技術學院，湖北武漢 430074;2.安徽光學精密機械研究所中國科學院大氣成分與光學重點實驗室，安徽合肥 230031;3.安徽省氣象局大氣探測中心，安徽合肥 230031)

研究背景

大氣二氧化碳是大氣中最重要的溫室氣體之一，其來源有天然和人為兩個來源。天然源主要包括海洋脫氣，動植物呼吸、腐敗作用和生物質燃燒，以及甲烷的轉化。大氣二氧化碳主要的人工源是礦物燃料燃燒和人類的工業(yè)活動。大氣二氧化碳的溫室效應，在全球碳循環(huán)研究和氣候變化預測中不可或缺［1］。地球表面及其生物圈是大氣二氧化碳重要的源與匯。大氣二氧化碳的含量，特別是在混合層內，與地球表面及其生物圈關系非常密切。但是，由于探測手段少和數據少等原因，至今大氣CO2垂直分布及其變化的許多特征還不是非常清楚。

探空儀具有很高的垂直分辨率和探測精度，是大氣研究與環(huán)境監(jiān)測的有力工具。二氧化碳氣體在4.26μm波段有一個非常強的吸收區(qū)［2］，可以用這個波段的非分光光源來測量大氣中的二氧化碳含量。本文主要研究可用于大氣二氧化碳探空儀的非分光光源技術。

1 二氧化碳的非分光測量方法

非分光紅外法一般采用寬帶光源，經過氣室后用兩個不同波長的濾波片進行濾光，得到波長鄰近的λ1和λ2波長的兩個光輻射，其中λ1在CO2氣體吸收峰上，而CO2氣體對λ2不吸收 (或非常弱);這里λ1的光輻射作為檢測信號，波長λ2的光輻射作為參考信號。

圖1 非分光紅外法原理框圖Fig.1 Block diagram of a non-dispersive infrared method

如圖1所示，光源發(fā)出的光經過氣室到達分束器，分束器將光束分成兩束，然后分別通過中心波長為λ1和λ2的干涉濾光片，照射在相應的探測器上，轉換為電信號。設中心波長為λ1和λ2的光進入氣室前的光強分別為I10和I20，經過氣室后的光強分別為I1和I2，與分光紅外法類似，有如下公式:

A為吸光度，T為透射比，是投射光強度比上入射光強度 ，c為吸光物質的濃度，b為吸收層厚度。

式中，K為光路的結構系數，D1、D2是探測器1和探測器2的光電轉換系數，N是待測氣體的分子數密度。根據上面兩式，可以得出待測氣體的分子數密度:

其中，λ1≈λ2，選擇一個雙通道探測器芯片，芯片上集成中心波長λ1和λ2的濾光片，也就是說一塊芯片上集成了兩路探測器和相應的前置濾光片，這兩個探測器的溫度特性基本一致，使測量結果受環(huán)境因素影響較小。

采用非分光紅外法，選擇了4.26μm的CO2強吸收區(qū)作為測量波段，以及3.91μm的CO2不吸收區(qū)作為參考波段。根據式 (1)，通過寬帶紅外光源發(fā)出的4.26μm和3.91μm的紅外線經過氣室后的光強之比，反演出二氧化碳氣體的濃度。

2 非分光光源

2.1 光源的工作原理

電調制MEMS紅外光源一般采用熱激發(fā)的工作方式，通過發(fā)熱電阻的電熱效應獲得高溫輻射體，使其對外輻射能量，輻射類似于黑體輻射。一個性能良好的輻射源要求在較高的輻射度的情況下有較高的輻射效率，從而降低能量損耗;并且要求短的響應時間和在截止調制頻率下有較大的調制深度。黑體的輻射出射度遵循普朗克公式:

其中，k為玻爾茲曼常數，h為普朗克常數，T為黑體溫度，λ為波長，c為光速，M為黑體的輻射出射度。

2.2 光源芯片的選擇

CO2的吸收峰在4.26μm處，這里我們選用瑞士LEISTER公司生產的HSL EMIRS200型號的紅外光源。該紅外光源是一種多用途的熱紅外光源，發(fā)射光譜范圍為2～16μm，可以用變化的輸入電信號直接調制。

根據熱輻射定律，當物體處于熱平衡狀態(tài)時，吸收率等于發(fā)射率。這就意味著吸收率越高，發(fā)射率也就越高。這款EMIRS200型紅外光源表現(xiàn)出特別好的黑體特性，在不同電調制功率下使用傅里葉紅外光譜儀測量得到的發(fā)射光譜如圖1所示，測量得到的曲線 (黑色)很好地接近普朗克分布 (圖中的紅色曲線)，表明該光譜與熱黑體的發(fā)光譜具有非常好的一致性。EMIRS200型紅外光源封裝了一個反射片，以使發(fā)出的紅外線的發(fā)散角減小。

圖2 EMIRS200型紅外光源在不同溫度時的輸出光譜Fig.2 EMIRS 200 infrared light output spectra at different temperatures

3.3 脈沖調制電路

由于紅外探測器只對紅外輻射的變化有反應，需要對紅外光源進行調制，使其按一定頻率在發(fā)光和不發(fā)光兩個狀態(tài)切換。MSP430單片機既可以作為恒壓源對外供電，又可以通過定時器輸出一定頻率的電壓脈沖，其輸出電壓幅值均為3.3V;然而光源工作電壓的典型值為5.7V，所以為了產生一個符合光源工作電壓幅值的脈沖，在設計上選用LM317芯片。

LM317的輸出電壓范圍是1.2V～37V，負載電流最大為1.5A。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓。此外它的線性調整率和負載調整率也比標準的固定穩(wěn)壓器好。

所設計的脈沖調制電路如圖3所示，LM317芯片的輸入端是MSP430單片機提供的3.3V的恒壓源，輸出端的幅值為V2=1.25(R1/R2)，比如可以取紅外光源的典型值5.7V，然而V2為直流恒壓，為了獲得脈沖信號，在J2處接入定時器輸出的頻率可以設置的電壓脈沖，幅值為3.3V;通過限流電阻R4接到三極管Q1的基極，那么在J3的1，2兩端之間的電壓就可以實現(xiàn)所期望的電壓幅值 (比如光源工作的典型值5.7V)和頻率。

3 初步實驗結果

利用該光源，我們研制了一個測量CO2的實驗裝置［2－3］，該實驗裝置的進氣口與 EC9810型 CO2分析儀的采氣口放在同一位置，進行同步對比觀測。從探測器的兩通道可以獲得表征I1和I2的數字量。測量通道和參考通道AD轉換后的UCO2和Uref分別用I1和I2來表示。2012年3月7日16點到3月8日16點進行了實驗，并計算出EC9810型分析儀測得的CO2濃度與A隨時間的變化趨勢如圖4所示，該圖反映出二氧化碳濃度與A具有較好的一致性。

圖4 CO2濃度與A隨時間的變化圖Fig.4 A Change in CO2comcentration versus time diagram

圖5 CO2濃度與－ln(I1/I2)的線性擬合Fig.5 CO2concentration and-ln(I1/I2)of the linear fit

通過線性擬合 (圖5)，可以得到關系式

與關系式 (4)進行比較，可認為

在得出定標公式之后，2012年3月9日18:00到3月10日18:00進行對比實驗，利用標定的關系式得到CO2的濃度，再與澳大利亞ECOTECH公司的EC9810型CO2分析儀測得的數據進行對比(圖6)。以EC9810型CO2分析儀的數據為標準，該實驗裝置的測量誤差如圖7所示，誤差范圍在－10ppm～10ppm，經過統(tǒng)計分析，其在24小時的標準差為3.76ppm，表明該實驗裝置已經有了較高的測量精度。我們還在2012年9月9日到9月22日進行了14天的連續(xù)驗證，如圖8所示，說明該LED光源已具備測量大氣二氧化碳的應用前景。

圖6 實驗裝置與EC9810型CO2分析儀的對比實驗數據Fig.6 Comparison of experimental data with EC 9810 experimental device type CO2analyzer

圖7 實驗裝置的測量相對誤差Fig.7 The experimental device measuring the relative error

圖8 實驗裝置與Li7500二氧化碳分析儀的觀測對比和驗證Fig.8 The experimental device and Li 7500 carbon dioxide analyzer observations comparison and verification

4 小結

利用集成熱輻射源可以將光源的體積和重量減少，有利于氣球探空。我們設計了脈沖調制電路，并試制了光源，將光源用于二氧化碳的測量，初步測量結果與二氧化碳分析儀進行對比。對比結果表明，我們試研制的光源具有用于氣球探空的潛力。

［1］吳兌.溫室氣體與溫室效應 ［M］.氣象出版社，2003:1-23.

［2］饒瑞中.現(xiàn)代大氣光學［M］.科學出版社，2012:135-144.

［3］馮林，胡順星，黃見，等.一種新的CO2探空測量方法 ［J］.激光與光電子學進展，2012，49，100103.

［4］黃見，胡順星，馮林，等.基于MSP430F149單片機的大氣環(huán)境CO2探測儀的設計與實現(xiàn)［J］.儀表技術與傳感器，2013，7:32-34.