基于LabView的氣體吸收光譜仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

許林廣,孫明國,張 剛,葛 強(qiáng)

(安徽工程大學(xué) 數(shù)理與金融學(xué)院,安徽 蕪湖 241000)

大學(xué)物理是理工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程,開展物理實(shí)驗(yàn)課程是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能,科研方法的重要途徑。傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)往往以老師演示、學(xué)生模仿實(shí)驗(yàn)為主,無法滿足現(xiàn)代社會(huì)工作崗位對(duì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)需求[1-2]。開展新型專業(yè)實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)特定科學(xué)問題開展自主探究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立發(fā)現(xiàn)和解決科學(xué)問題,強(qiáng)化邏輯思維和專業(yè)素養(yǎng)具有重要意義。傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)往往依賴體積龐大、價(jià)格昂貴的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備,面對(duì)當(dāng)前社會(huì)科技發(fā)展的日益進(jìn)步,相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新?lián)Q代的頻率不斷加快,物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新發(fā)展受到一定限制。并且傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段無法滿足當(dāng)今社會(huì)線上同步實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新要求,因此,迫切需要開展新型大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(dòng)化研究、驗(yàn)證和生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)。相比于系統(tǒng)復(fù)雜和價(jià)格昂貴的硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),LabVIEW仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、易于學(xué)習(xí)和便于自主開發(fā)等特點(diǎn),為新型大學(xué)物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)提供另一種思路[5-6]。

隨著社會(huì)工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快,各種有毒、有害的污染性氣體排放導(dǎo)致溫室效應(yīng)、酸雨、霧霾等自然災(zāi)害現(xiàn)象層出不窮。對(duì)大氣中的痕量氣體、工業(yè)排放的各種污染性氣體等進(jìn)行精準(zhǔn)有效監(jiān)測(cè),是指導(dǎo)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要舉措[7]。目前,氣體檢測(cè)技術(shù)分為2種,一種是傳統(tǒng)的化學(xué)分析法、氣相色譜法、色譜-質(zhì)譜連用法等[8-9],其中化學(xué)分析法快速有效,操作簡(jiǎn)單但不能進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)在線監(jiān)測(cè),氣相色譜和色譜質(zhì)譜法具有較高的可靠性,但是采樣過程繁瑣。相比于傳統(tǒng)的化學(xué)檢測(cè)技術(shù),另一種現(xiàn)代氣體檢測(cè)技術(shù)是激光吸收光譜法,吸收光譜技術(shù)是一種基于光與物質(zhì)相互作用過程中所呈現(xiàn)的吸收效應(yīng)來反演氣體濃度信息的方法[10]。隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的發(fā)展,可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)(Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)因具有現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)量、無須采樣和預(yù)處理系統(tǒng)、測(cè)量準(zhǔn)確、響應(yīng)迅速、維護(hù)工作量小等顯著優(yōu)勢(shì),在大氣研究、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)過程分析和污染源監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用[11]。

利用LabVIEW軟件結(jié)合TDLAS技術(shù)建立了一套仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),通過對(duì)大學(xué)物理教學(xué)中的吸收光譜理論進(jìn)行圖形化模擬,強(qiáng)化對(duì)理論知識(shí)的理解。通過仿真實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,探究實(shí)驗(yàn)中的各種參數(shù)對(duì)吸收譜線的影響,引導(dǎo)學(xué)生對(duì)物理定律進(jìn)一步思考和研究。

1 實(shí)驗(yàn)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(shì)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及垃圾填埋等;自然源包括濕地、內(nèi)陸淡水、生物質(zhì)燃燒、地質(zhì)滲漏和凍土等。由此可以看出大氣中的CH4氣體濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)環(huán)境治理有重大作用。

激光吸收光譜技術(shù)的基本原理是基于朗伯-比爾定律(Lambert-Beer law),當(dāng)一束激光穿過待測(cè)氣體分子之后,其出射光部分光強(qiáng)會(huì)被氣體分子所吸收而產(chǎn)生衰減。出射光強(qiáng)為

I(λ)=I0(λ)exp(-α(λ)CL) ,

(1)

式中α(λ)為特定波長處包含目標(biāo)氣體的溫度和壓力等參數(shù)的吸收系數(shù);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(shù)可表示為

(2)

(3)

其中,

(4)

(5)

式中:S為譜線線強(qiáng);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(dá)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(shù)據(jù)庫中獲取。單個(gè)分子積分吸收面積A可以通過以下公式來進(jìn)行計(jì)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(cè)量譜線吸收系數(shù)反演氣體濃度信息。

基于朗伯-比爾定律的TDLAS技術(shù)原理圖如圖1所示,通過調(diào)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(jīng)過氣體池后衰減成I(λ),由探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化并進(jìn)行后續(xù)處理,當(dāng)激光注入電流幅值沿三角波變化,在經(jīng)過待測(cè)分子吸收后,探測(cè)器測(cè)得光強(qiáng)信號(hào)會(huì)在特定波段形成吸收輪廓。在得到氣體的吸收信號(hào)后,根據(jù)公式(2)可將其轉(zhuǎn)化為吸收系數(shù)譜線。

圖1 激光吸收光譜氣體檢測(cè)技術(shù)原理圖

2 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

針對(duì)CH4氣體分子建立的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)程序如圖2所示,程序結(jié)構(gòu)主要包括四個(gè)模塊,分別為洛倫茲以及高斯半高半寬的計(jì)算、懷特明近似函數(shù)的模擬、三角波信號(hào)以及透射譜和吸光度的仿真。其中,在LabVIEW中調(diào)用建立的“子VI”對(duì)譜線展寬和線性函數(shù)進(jìn)行計(jì)算模擬可以大大簡(jiǎn)化程序結(jié)構(gòu)使邏輯更加清晰,用來模擬激光器光強(qiáng)背景的三角波信號(hào)利用LabVIEW中“仿真信號(hào)”控件生成,然后疊加線性函數(shù)就可以得到模擬的吸收信號(hào)。結(jié)合朗伯-比爾定律公式,對(duì)吸收信號(hào)進(jìn)一步處理,通過吸收信號(hào)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(jì)算吸收系數(shù),結(jié)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(xué)生掌握具體仿真過程,進(jìn)一步理解吸收光譜原理和熟悉理論公式,并培養(yǎng)學(xué)生利用LabVIEW進(jìn)行自主開發(fā)和設(shè)計(jì)的創(chuàng)新思維。

圖2 氣體吸收光譜仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)程序

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

圖3 甲烷氣體吸收光譜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

甲烷吸收線強(qiáng)度、氣體濃度、壓力、溫度、吸收路徑長度等參數(shù)設(shè)置通過輸入控件進(jìn)行調(diào)整。選取中心波數(shù)在6 046.96 cm-1處的甲烷吸收線,譜線強(qiáng)度為1.455×10-21cm/mol。實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)設(shè)置氣體壓力為一個(gè)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(shí),經(jīng)過氣體吸收后的模擬吸收光譜如圖3所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過學(xué)生自主調(diào)節(jié)設(shè)置的相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù),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(duì)吸收譜線的影響,實(shí)驗(yàn)記錄不同濃度(0.1%～0.5%)的CH4吸收譜線,如圖4所示,結(jié)果顯示隨著CH4濃度的增大,譜線的高度和展寬增加。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理,可以得到吸收光譜信號(hào)幅值與氣體濃度之間的關(guān)系,如圖5所示,通過擬合發(fā)現(xiàn),CH4濃度與信號(hào)幅值之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象驗(yàn)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(chǔ)理論。

Wavenumber/cm-1

Concentration/%

2.3 拓展研究

選做拓展實(shí)驗(yàn)可以引導(dǎo)學(xué)生自行選取研究其他參數(shù)對(duì)象,利用仿真試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行探究。例如,根據(jù)朗伯-比爾定律對(duì)原始吸收信號(hào)進(jìn)行歸一化處理之后可以得到氣體透射譜,實(shí)驗(yàn)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(gè)大氣壓范圍內(nèi),譜線展寬隨著壓力增大而增大,對(duì)透射譜的吸收深度進(jìn)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(xué)生也可以自行選取其他相關(guān)參數(shù)對(duì)吸收光譜原理公式和譜線模型進(jìn)一步探究,鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題進(jìn)行思考和總結(jié)。同時(shí),有余力的學(xué)生可以進(jìn)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(shí)和分析解決問題的能力。

3 結(jié) 論

文章探討了將基于朗伯-比爾定律的激光吸收光譜技術(shù)引入到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中,通過建立LabVIEW虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)物理定律和理論公式進(jìn)行詳細(xì)展示。實(shí)驗(yàn)探究了CH4吸收譜線信號(hào)幅值與濃度的關(guān)系,并引導(dǎo)學(xué)生探究不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下氣體吸收譜線的變化情況。本實(shí)驗(yàn)將復(fù)雜的理論公式和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)變得形象和簡(jiǎn)單,將科研中的邏輯思維和探究方法引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)。培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維,提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。