胡映琳

摘 要：超標(biāo)的二氧化碳會(huì)影響到人們的身體健康，所以實(shí)時(shí)對(duì)氣體的檢測(cè)非常關(guān)鍵。應(yīng)用波長(zhǎng)調(diào)制-二次諧波法（WMS-SH），在有效光程38.4m的情況下，結(jié)合起 TDLAS 技術(shù)和長(zhǎng)程吸收光譜技術(shù)，測(cè)量1.43μm 附近氣體，基于0.15個(gè)大氣壓下的二次諧波信號(hào)，濃度-信號(hào)強(qiáng)度線性方程經(jīng)性擬合得到，且反演二氧化碳濃度，以及對(duì)系統(tǒng)的性能做出評(píng)估。此文致力于研究在二氧化碳檢測(cè)中，對(duì)長(zhǎng)程吸收光譜技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：TDLAS；二氧化碳；二次諧波檢測(cè)；長(zhǎng)程吸收光譜技術(shù)

大量的二氧化碳因工業(yè)和交通的發(fā)展被排放，因此逐年增加了大氣中二氧化碳的濃度，對(duì)全球的環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。 TDLAS 是 可調(diào)諧二極管激光吸收光譜，具有響應(yīng)時(shí)間快、靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，是測(cè)量氣體濃度的一種技術(shù)。此文致力于研究在二氧化碳檢測(cè)中，對(duì)長(zhǎng)程吸收光譜技術(shù)的應(yīng)用，期望可提高系統(tǒng)的檢測(cè)精度。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析

針對(duì)于痕量氣體檢測(cè)的需求，過(guò)低的靈敏度無(wú)法滿(mǎn)足，而直接吸收方法能夠直接測(cè)得氣體的濃度，盡管方法較為簡(jiǎn)單，但是其較容易受到噪聲的干擾。行高頻調(diào)制的方法，針對(duì)于激光器頻率，能夠把噪聲帶來(lái)的影響顯著性減小，且頻率調(diào)制光譜（FMS）和波長(zhǎng)調(diào)制光譜（WMS），是現(xiàn)如今常用的，在原理上兩者間的差異不大，本文主要是展開(kāi)對(duì)波長(zhǎng)調(diào)制-二次

諧波（WMS-SH）法的介紹。波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)因其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，以及檢測(cè)靈敏度高等優(yōu)勢(shì)特色，能夠和直接檢測(cè)技術(shù)互補(bǔ)，在痕量氣體檢測(cè)領(lǐng)域獲得廣泛性應(yīng)用[1]。

為了提升檢測(cè)痕量氣體的靈敏度，增加光程，本文結(jié)合起了可調(diào)諧二極管激光器及多次反射池，測(cè)量1.43μm 附近氣體，基于0.15個(gè)大氣壓下的二次諧波信號(hào)，濃度-信號(hào)強(qiáng)度線性方程經(jīng)性擬合得到，且反演二氧化碳濃度，采用多次反射的方法，檢測(cè)出大氣中 CO2 濃度。此種多通池，通過(guò)平行放置5 塊曲率半徑相同的反射鏡構(gòu)成，是基于 Chernin型結(jié)構(gòu)，除了排氣口和進(jìn)氣口是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)池和閥門(mén)與真空泵相連，剩下的均采用的是真空脂密封。 密布的光斑可形成于鏡面上，做到降低成本，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)光程[2]，同時(shí)可保證有效應(yīng)用鏡面，并減小系統(tǒng)體積。此多通池的鏡面反射次數(shù)為32，基長(zhǎng)1.2，體積，2.57L，有效光程是38.4m。

光源選擇的是中心波長(zhǎng)為 1.43μm的 DFB 二極管激光器，此激光器的電流和溫度是通過(guò) LDC-3724B控制器控制的。經(jīng)信號(hào)發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)激光器的調(diào)制，產(chǎn)生 10 kHz 的高頻正弦波調(diào)制信號(hào)，以及 10 Hz 的低頻三角波信號(hào)。此處不需讀取實(shí)時(shí)波長(zhǎng)，因?qū)嶒?yàn)室已經(jīng)標(biāo)定了激光器的波長(zhǎng)。激光器的 輸入電流是60mA，溫度控制在31.2℃?；诖藯l件下，此激光器輸出功率約為2.75mW，波長(zhǎng)為1.431896μm。通過(guò)出光口，在多次反射之后出射，并匯聚到光電探測(cè)器上，經(jīng) f = 50 mm的會(huì)聚透鏡，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行二次諧波檢測(cè)，經(jīng)鎖相放大器，二次諧波信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡得到，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，將其輸送到 Lab-view 軟件。

2 系統(tǒng)評(píng)估

在無(wú)任何調(diào)制信號(hào)時(shí)，激光二極管的工作電流為 60 mA，實(shí)驗(yàn)中工作溫度為 32.1℃。選擇低頻三角，峰值 600 mV 、頻率為10 Hz，疊加到工作電流中，在某個(gè)范圍內(nèi)促使輸出激光的頻率會(huì)發(fā)生往復(fù)變化，同時(shí)其作為掃描信號(hào)，可完成連續(xù)性對(duì)氣體吸收譜線的掃描。存在的10 kHz 的高頻正弦波信號(hào)，便是另外一個(gè)激光二極管的調(diào)制信號(hào)，在調(diào)制激光器的時(shí)候，還要輸送參考信號(hào)到鎖相放大器。針對(duì)于不同濃度氣體，經(jīng) Chernin 池展開(kāi)的測(cè)量，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氣體濃度的反演，同時(shí)可以把二次諧波信號(hào)強(qiáng)度和氣體濃度的線性方程擬合出來(lái)。系統(tǒng)均需在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中固定環(huán)境溫度（32.1℃）和同一壓強(qiáng)（0.15atm），方便后期評(píng)估系統(tǒng)的性能[3]。 可選擇高純度 N2，在把多通池內(nèi)抽真空后，對(duì)吸收池進(jìn)行潤(rùn)洗。在標(biāo)準(zhǔn)池中，等到再次抽真空后，分別做到把高純度 N2和CO2 標(biāo)準(zhǔn)氣體通入，將不同濃度的二氧化碳?xì)怏w配制出來(lái)，分別是7%、9%、11%、 1%、3%、5%，依次通入 Chernin 型吸收池，采集相應(yīng)的二次諧波信號(hào)，并直到0.15atm為多通池內(nèi)壓強(qiáng)程度。在結(jié)束實(shí)驗(yàn)之后，在通入高純度 N2之前，需先抽取真空，對(duì)吸收池進(jìn)行潤(rùn)洗，最后通入下一濃度 CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體，當(dāng)最后抽取真空時(shí)，從而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?？蛇x擇多次取樣累加平均方法，為了降低噪聲對(duì)信號(hào)的影響采集數(shù)據(jù)。上述存在的濃度的 CO2 氣體二次諧波信號(hào)，可通過(guò) Origin 軟件處理數(shù)據(jù)后得到。

二次諧波信號(hào)強(qiáng)度和氣體濃度間存在某種函數(shù)關(guān)系，可以線性擬合 CO2 濃度和二次諧波信號(hào)強(qiáng)度，從而進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)。相較于之前的5點(diǎn)，信息強(qiáng)度當(dāng)CO2 濃度在 11%時(shí)，顯然是不在同一直線上的。經(jīng)一定分析，推測(cè)出產(chǎn)生的誤差，是因?yàn)閷?duì) WMS 的弱吸收條件的破壞，以及CO2 濃度過(guò)高，造成的非線性關(guān)系[4]。氣體經(jīng)樣品吸收池衰減后，當(dāng) IσcaL ≤ 1 時(shí)，則其強(qiáng)度能夠表示成I（υO(shè)，t）=∑∞n=oAn（υO(shè) ）R a cosnωtY4Y這一余弦傅里葉級(jí)數(shù)的形式?？煞从吵鼍€性關(guān)系很好，當(dāng)系統(tǒng)處于低濃度條件下時(shí)。經(jīng)線性擬合低濃度下圖像，可得出γ= 11. 811 69x + 0.07689 Y5Y的線性方程。在低濃度下，按照有關(guān)系數(shù)反映出的相關(guān)性， CO2 氣體的濃度，此系統(tǒng)下依舊能夠反演。大氣中 CO2 的濃度，通過(guò)擬合出的線性方程得到為0.0358%，等同于實(shí)際大氣中 CO2 濃度的典型值。經(jīng)驗(yàn)證，此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)性對(duì)二氧化碳濃度的監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合起來(lái)的與 TDLAS 技術(shù)和長(zhǎng)程吸收技術(shù)，對(duì) CO2 氣體濃度通過(guò)應(yīng)用波長(zhǎng)調(diào)制-二次諧波技術(shù)進(jìn)行了探測(cè)，且基于有效光程為38.4m的條件下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣中 CO2 濃度的探測(cè)，經(jīng)擬合線性方程，并驗(yàn)證此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)性對(duì)二氧化碳濃度的監(jiān)測(cè)，具有實(shí)用性和可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1]張國(guó)賢，楊錦，陸恒，等.長(zhǎng)程吸收光譜技術(shù)在二氧化碳檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J].煤炭科技，2017，（2）：25-27.

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