長程吸收光譜技術在二氧化碳檢測中的運用

胡映琳

摘 要：超標的二氧化碳會影響到人們的身體健康，所以實時對氣體的檢測非常關鍵。應用波長調制-二次諧波法（WMS-SH），在有效光程38.4m的情況下，結合起 TDLAS 技術和長程吸收光譜技術，測量1.43μm 附近氣體，基于0.15個大氣壓下的二次諧波信號，濃度-信號強度線性方程經性擬合得到，且反演二氧化碳濃度，以及對系統的性能做出評估。此文致力于研究在二氧化碳檢測中，對長程吸收光譜技術的應用。

關鍵詞：TDLAS；二氧化碳；二次諧波檢測；長程吸收光譜技術

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，對全球的環(huán)境和生態(tài)系統產生深遠影響。 TDLAS 是 可調諧二極管激光吸收光譜，具有響應時間快、靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點，是測量氣體濃度的一種技術。此文致力于研究在二氧化碳檢測中，對長程吸收光譜技術的應用，期望可提高系統的檢測精度。

1 實驗設計和分析

針對于痕量氣體檢測的需求，過低的靈敏度無法滿足，而直接吸收方法能夠直接測得氣體的濃度，盡管方法較為簡單，但是其較容易受到噪聲的干擾。行高頻調制的方法，針對于激光器頻率，能夠把噪聲帶來的影響顯著性減小，且頻率調制光譜（FMS）和波長調制光譜（WMS），是現如今常用的，在原理上兩者間的差異不大，本文主要是展開對波長調制-二次

諧波（WMS-SH）法的介紹。波長調制技術因其實現方法簡單，以及檢測靈敏度高等優(yōu)勢特色，能夠和直接檢測技術互補，在痕量氣體檢測領域獲得廣泛性應用[1]。

為了提升檢測痕量氣體的靈敏度，增加光程，本文結合起了可調諧二極管激光器及多次反射池，測量1.43μm 附近氣體，基于0.15個大氣壓下的二次諧波信號，濃度-信號強度線性方程經性擬合得到，且反演二氧化碳濃度，采用多次反射的方法，檢測出大氣中 CO2 濃度。此種多通池，通過平行放置5 塊曲率半徑相同的反射鏡構成，是基于 Chernin型結構，除了排氣口和進氣口是通過標準池和閥門與真空泵相連，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，實現長光程[2]，同時可保證有效應用鏡面，并減小系統體積。此多通池的鏡面反射次數為32，基長1.2，體積，2.57L，有效光程是38.4m。

光源選擇的是中心波長為 1.43μm的 DFB 二極管激光器，此激光器的電流和溫度是通過 LDC-3724B控制器控制的。經信號發(fā)生器，實現激光器的調制，產生 10 kHz 的高頻正弦波調制信號，以及 10 Hz 的低頻三角波信號。此處不需讀取實時波長，因實驗室已經標定了激光器的波長。激光器的 輸入電流是60mA，溫度控制在31.2℃。基于此條件下，此激光器輸出功率約為2.75mW，波長為1.431896μm。通過出光口，在多次反射之后出射，并匯聚到光電探測器上，經 f = 50 mm的會聚透鏡，并對信號進行二次諧波檢測，經鎖相放大器，二次諧波信號經數據采集卡得到，最后進行數據分析處理，將其輸送到 Lab-view 軟件。

2 系統評估

在無任何調制信號時，激光二極管的工作電流為 60 mA，實驗中工作溫度為 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，在某個范圍內促使輸出激光的頻率會發(fā)生往復變化，同時其作為掃描信號，可完成連續(xù)性對氣體吸收譜線的掃描。存在的10 kHz 的高頻正弦波信號，便是另外一個激光二極管的調制信號，在調制激光器的時候，還要輸送參考信號到鎖相放大器。針對于不同濃度氣體，經 Chernin 池展開的測量，能夠實現對氣體濃度的反演，同時可以把二次諧波信號強度和氣體濃度的線性方程擬合出來。系統均需在實驗過程中固定環(huán)境溫度（32.1℃）和同一壓強（0.15atm），方便后期評估系統的性能[3]。 可選擇高純度 N2，在把多通池內抽真空后，對吸收池進行潤洗。在標準池中，等到再次抽真空后，分別做到把高純度 N2和CO2 標準氣體通入，將不同濃度的二氧化碳氣體配制出來，分別是7%、9%、11%、 1%、3%、5%，依次通入 Chernin 型吸收池，采集相應的二次諧波信號，并直到0.15atm為多通池內壓強程度。在結束實驗之后，在通入高純度 N2之前，需先抽取真空，對吸收池進行潤洗，最后通入下一濃度 CO2標準氣體，當最后抽取真空時，從而進行實驗。可選擇多次取樣累加平均方法，為了降低噪聲對信號的影響采集數據。上述存在的濃度的 CO2 氣體二次諧波信號，可通過 Origin 軟件處理數據后得到。

二次諧波信號強度和氣體濃度間存在某種函數關系，可以線性擬合 CO2 濃度和二次諧波信號強度，從而進一步分析數據。相較于之前的5點，信息強度當CO2 濃度在 11%時，顯然是不在同一直線上的。經一定分析，推測出產生的誤差，是因為對 WMS 的弱吸收條件的破壞，以及CO2 濃度過高，造成的非線性關系[4]。氣體經樣品吸收池衰減后，當 IσcaL ≤ 1 時，則其強度能夠表示成I（υO，t）=∑∞n=oAn（υO ）R a cosnωtY4Y這一余弦傅里葉級數的形式?？煞从吵鼍€性關系很好，當系統處于低濃度條件下時。經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，按照有關系數反映出的相關性， CO2 氣體的濃度，此系統下依舊能夠反演。大氣中 CO2 的濃度，通過擬合出的線性方程得到為0.0358%，等同于實際大氣中 CO2 濃度的典型值。經驗證，此系統能夠實現實時性對二氧化碳濃度的監(jiān)測。

3 結語

結合起來的與 TDLAS 技術和長程吸收技術，對 CO2 氣體濃度通過應用波長調制-二次諧波技術進行了探測，且基于有效光程為38.4m的條件下，實現了對大氣中 CO2 濃度的探測，經擬合線性方程，并驗證此系統能夠實現實時性對二氧化碳濃度的監(jiān)測，具有實用性和可行性。

參考文獻：

[1]張國賢，楊錦，陸恒，等.長程吸收光譜技術在二氧化碳檢測中的應用研究[J].煤炭科技，2017，（2）：25-27.

[2]林攀攀.基于LED差分吸收光譜技術的大氣NO2濃度測量研究[D].安徽理工大學，2016.

[3]朱國梁.基于高分辨率差分光學吸收光譜技術的OH自由基定標方法研究[D].中國科學院大學，2015.

[4]王丹.基于腔衰蕩光譜技術測量大氣NO3自由基的研究[D].中國科學院大學，2016.