許林廣,孫明國,張 剛,葛 強

(安徽工程大學 數理與金融學院,安徽 蕪湖 241000)

大學物理是理工科專業(yè)的基礎課程,開展物理實驗課程是培養(yǎng)學生實驗技能,科研方法的重要途徑。傳統大學物理實驗往往以老師演示、學生模仿實驗為主,無法滿足現代社會工作崗位對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)需求[1-2]。開展新型專業(yè)實驗引導學生針對特定科學問題開展自主探究和實驗驗證,對培養(yǎng)學生獨立發(fā)現和解決科學問題,強化邏輯思維和專業(yè)素養(yǎng)具有重要意義。傳統大學物理實驗往往依賴體積龐大、價格昂貴的實驗儀器和設備,面對當前社會科技發(fā)展的日益進步,相關實驗設備更新換代的頻率不斷加快,物理實驗創(chuàng)新發(fā)展受到一定限制。并且傳統實驗教學手段無法滿足當今社會線上同步實驗教學的新要求,因此,迫切需要開展新型大學物理實驗教學方法研究[3-4]。虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW是一種在圖形化編程環(huán)境下,工程師可使用該環(huán)境來開發(fā)自動化研究、驗證和生產測試系統。相比于系統復雜和價格昂貴的硬件實驗系統,LabVIEW仿真實驗系統具有操作簡單、易于學習和便于自主開發(fā)等特點,為新型大學物理專業(yè)實驗提供另一種思路[5-6]。

隨著社會工業(yè)化進程的不斷加快,各種有毒、有害的污染性氣體排放導致溫室效應、酸雨、霧霾等自然災害現象層出不窮。對大氣中的痕量氣體、工業(yè)排放的各種污染性氣體等進行精準有效監(jiān)測,是指導綠色可持續(xù)發(fā)展的重要舉措[7]。目前,氣體檢測技術分為2種,一種是傳統的化學分析法、氣相色譜法、色譜-質譜連用法等[8-9],其中化學分析法快速有效,操作簡單但不能進行實時連續(xù)在線監(jiān)測,氣相色譜和色譜質譜法具有較高的可靠性,但是采樣過程繁瑣。相比于傳統的化學檢測技術,另一種現代氣體檢測技術是激光吸收光譜法,吸收光譜技術是一種基于光與物質相互作用過程中所呈現的吸收效應來反演氣體濃度信息的方法[10]。隨著半導體激光技術的發(fā)展,可調諧二極管激光吸收光譜技術(Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)因具有現場原位測量、無須采樣和預處理系統、測量準確、響應迅速、維護工作量小等顯著優(yōu)勢,在大氣研究、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)過程分析和污染源監(jiān)測領域發(fā)揮著越來越重要的作用[11]。

利用LabVIEW軟件結合TDLAS技術建立了一套仿真實驗系統,通過對大學物理教學中的吸收光譜理論進行圖形化模擬,強化對理論知識的理解。通過仿真實驗現象,探究實驗中的各種參數對吸收譜線的影響,引導學生對物理定律進一步思考和研究。

1 實驗原理

甲烷(CH4)是一種常見的溫室氣體,其含量雖然不及大氣中的二氧化碳,但它的增溫潛勢是二氧化碳的幾十倍,在氣候變化和全球變暖中起著重要作用[12-13]。CH4的排放源主要分為人為源和自然源,其中人為源主要包括煤炭和油氣開采、農業(yè)生產以及垃圾填埋等;自然源包括濕地、內陸淡水、生物質燃燒、地質滲漏和凍土等。由此可以看出大氣中的CH4氣體濃度實時監(jiān)測對環(huán)境治理有重大作用。

激光吸收光譜技術的基本原理是基于朗伯-比爾定律(Lambert-Beer law),當一束激光穿過待測氣體分子之后,其出射光部分光強會被氣體分子所吸收而產生衰減。出射光強為

I(λ)=I0(λ)exp(-α(λ)CL) ,

(1)

式中α(λ)為特定波長處包含目標氣體的溫度和壓力等參數的吸收系數;L為氣體吸收路徑長度;C為氣體分子濃度。單一躍遷譜線的吸收系數可表示為

(2)

(3)

其中,

(4)

(5)

式中:S為譜線線強;γV為伏克特線性的半高半寬;γL,γD為洛倫茲半高半寬以及高斯半高半寬。用以下表達式來表示:

(6)

其中νSelf,νAir分別為氣體分子的自加寬和空氣加寬,可以從紅外光譜數據庫中獲取。單個分子積分吸收面積A可以通過以下公式來進行計算:

(7)

因此,由公式(7)可知譜線積分面積或吸光度幅值與氣體濃度成正比,在溫度、壓力和光程已知的情況下,可通過測量譜線吸收系數反演氣體濃度信息。

基于朗伯-比爾定律的TDLAS技術原理圖如圖1所示,通過調諧光源的工作溫度和電流來控制激光輸出特性,出射光I0(λ)經過氣體池后衰減成I(λ),由探測器進行光電轉化并進行后續(xù)處理,當激光注入電流幅值沿三角波變化,在經過待測分子吸收后,探測器測得光強信號會在特定波段形成吸收輪廓。在得到氣體的吸收信號后,根據公式(2)可將其轉化為吸收系數譜線。

圖1 激光吸收光譜氣體檢測技術原理圖

2 仿真實驗設計

2.1 實驗系統

針對CH4氣體分子建立的仿真實驗系統程序如圖2所示,程序結構主要包括四個模塊,分別為洛倫茲以及高斯半高半寬的計算、懷特明近似函數的模擬、三角波信號以及透射譜和吸光度的仿真。其中,在LabVIEW中調用建立的“子VI”對譜線展寬和線性函數進行計算模擬可以大大簡化程序結構使邏輯更加清晰,用來模擬激光器光強背景的三角波信號利用LabVIEW中“仿真信號”控件生成,然后疊加線性函數就可以得到模擬的吸收信號。結合朗伯-比爾定律公式,對吸收信號進一步處理,通過吸收信號除以三角波背景,得到歸一化的透射光譜。最后通過公式(2)計算吸收系數,結合光程和濃度就能得出氣體分子吸光度。利用模塊劃分便于學生掌握具體仿真過程,進一步理解吸收光譜原理和熟悉理論公式,并培養(yǎng)學生利用LabVIEW進行自主開發(fā)和設計的創(chuàng)新思維。

圖2 氣體吸收光譜仿真實驗系統程序

甲烷氣體吸收光譜虛擬仿真實驗系統前面板顯示如圖3所示,主要包括四個圖形控件用來分別顯示三角波、吸收信號、透射譜以及吸光度。

圖3 甲烷氣體吸收光譜虛擬仿真實驗系統

甲烷吸收線強度、氣體濃度、壓力、溫度、吸收路徑長度等參數設置通過輸入控件進行調整。選取中心波數在6 046.96 cm-1處的甲烷吸收線,譜線強度為1.455×10-21cm/mol。實驗中,當設置氣體壓力為一個大氣壓(1 013 mbar),溫度為296 K,氣體濃度為8%,吸收路徑長度為30 cm時,經過氣體吸收后的模擬吸收光譜如圖3所示。

2.2 實驗結果

通過學生自主調節(jié)設置的相關實驗參數,觀察和探究吸收譜線的變化情況。例如為了研究氣體濃度對吸收譜線的影響,實驗記錄不同濃度(0.1%～0.5%)的CH4吸收譜線,如圖4所示,結果顯示隨著CH4濃度的增大,譜線的高度和展寬增加。對數據進一步處理,可以得到吸收光譜信號幅值與氣體濃度之間的關系,如圖5所示,通過擬合發(fā)現,CH4濃度與信號幅值之間呈現良好的線性關系。實驗現象驗證了朗伯-比爾定律原理公式中吸光度與濃度成正比的基礎理論。

Wavenumber/cm-1

Concentration/%

2.3 拓展研究

選做拓展實驗可以引導學生自行選取研究其他參數對象,利用仿真試驗系統進行探究。例如,根據朗伯-比爾定律對原始吸收信號進行歸一化處理之后可以得到氣體透射譜,實驗記錄模擬的不同氣體總壓力下的透射譜線如圖6所示。

Pressure/mbar

在一個大氣壓范圍內,譜線展寬隨著壓力增大而增大,對透射譜的吸收深度進行分析可知,隨著壓力增大,譜線吸收深度也隨之增加并趨于穩(wěn)定。學生也可以自行選取其他相關參數對吸收光譜原理公式和譜線模型進一步探究,鼓勵學生對實驗過程中遇到的問題進行思考和總結。同時,有余力的學生可以進一步優(yōu)化LabVIEW仿真程序,提高其軟件使用能力以及創(chuàng)新意識和分析解決問題的能力。

3 結 論

文章探討了將基于朗伯-比爾定律的激光吸收光譜技術引入到大學物理實驗教學當中,通過建立LabVIEW虛擬仿真實驗系統對物理定律和理論公式進行詳細展示。實驗探究了CH4吸收譜線信號幅值與濃度的關系,并引導學生探究不同實驗參數下氣體吸收譜線的變化情況。本實驗將復雜的理論公式和實驗系統變得形象和簡單,將科研中的邏輯思維和探究方法引入大學物理實驗。培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維,提升學生發(fā)現問題和解決問題的能力。