基于光声光谱的二氧化碳测量技术研究
发布时间：2021-06-26 22:21
光声光谱技术是一种以光声效应为基础,具有响应速度快、测量时间短、检测灵敏度高等优点的新型光谱分析检测技术,已成为一种快速、安全、可靠的痕量气体检测手段。本文利用中心波长位于2.0μm的分布反馈式可调谐二极管激光器作为光源,搭建了二氧化碳（CO2）光声光谱测量系统,实验中采用对样品气体加湿的方式,通过引入弛豫速率快的H2O分子有效降低CO2分子的弛豫时间,增加了CO2气体的光声信号强度,提高了系统的探测灵敏度。测量中选取4 998.35 cm-1处的CO2吸收谱线为研究对象,结合波长调制技术,对CO2气体进行了探测研究。首先通过对系统的评估,确定了系统的最佳调制频率和最佳调制振幅为785 Hz和7.586 cm-1。然后通过对一系列不同浓度的CO2-N2混合样品气体在最优实验条件下的测量研究发现,所测光声信号与CO2气体浓度之间具有良好的线性关系,进...
【文章来源】：光电子·激光. 2020,31(12)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
4 997-5 003 cm-1波长范围内的CO2、CO、H2O、
所搭建的系统结构如图2所示,光源为中心波长2.0 μm、功率3 mW的DFB型可调谐二极管激光器(Nanoplus)。函数发生器(RIGOL,DG1000Z)输出的三角波和锁相放大器(Zurich Instruments,MFLI)输出的正弦波由加法器叠加后送入激光控制器(ILX Lightwave,LDC-3724C),实现对激光器输出波长的扫描和调制。输出激光经准直器(Thorlabs,F260APC G1550)准直后入射到光声池中,其透射光由功率计(Thorlabs,S120-FC)进行接收,实现对激光器功率的实时监测。光声池为硬铝材料制成,两侧端口利用石英玻璃片(JGS3)密封;长度为100 mm直径为10 mm的谐振腔内表面进行抛光处理,可以有效降低池壁对所测气体的吸收,谐振腔两侧的缓冲腔长度直径均为50 mm,可抑制由窗片吸收入射光以及气体流动产生的噪声;为了获得最大的光声信号,高灵敏度柱形微音器(北京声望,MP201)安装在光声池中间且紧贴内壁的位置,其输出信号经前置放大器(北京声望,MC102)放大后输入到锁相放大器进行解调得到所需信号。4 结果与讨论
波长调制光谱的一个重要特点是其谐波信号幅值是调制振幅的函数,对于本研究中采用的二次谐波而言,理论上最佳调制系数约为2.2,但由于实际测量系统会影响光谱的半高宽,所以实际值与理论值之间存在一定的差异,在此对0.1%CO2-N2气体在不同调制振幅下的二次谐波信号幅值进行测量,结果如图3(b)所示,可见本系统最佳调制振幅约为7.586 cm-1。4.2 系统测量准确度分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于2.004μm的离轴石英音叉增强型光声光谱测量CO2的研究[J]. 解颖超,王瑞峰,曹渊,刘锟,高晓明. 光谱学与光谱分析. 2020(09)
[2]多组分变压器油溶解气体的傅里叶变换红外光声光谱定量检测[J]. 刘丽娴,宦惠庭,Mandelis Andreas,邵晓鹏. 光谱学与光谱分析. 2020(03)
[3]基于激光光声光谱超高灵敏度检测SF6分解组分H2S[J]. 陈珂,袁帅,宫振峰,于清旭. 中国激光. 2018(09)
[4]湿度和SF6在石英增强光声光谱中对CO分子弛豫率的影响[J]. 卫婷婷,武红鹏,尹旭坤,董磊. 光学精密工程. 2018(08)
[5]石英增强光声传感技术研究进展[J]. 董磊,武红鹏,郑华丹,尹旭坤,马维光,张雷,尹王保,肖连团,贾锁堂. 中国激光. 2018(09)
[6]基于7.6μm量子级联激光的光声光谱探测N2O气体[J]. 周彧,曹渊,朱公栋,刘锟,谈图,王利军,高晓明. 物理学报. 2018(08)
[7]SF6气体检测技术的研究进展及发展趋势[J]. 刘群群,齐汝宾,赵赫,郑安平. 光学仪器. 2018(01)
[8]基于光声光谱和腔衰荡光谱的气溶胶光学特性测量研究[J]. 张建锋,潘孙强,陈哲敏,杨眉,裘越. 光电子·激光. 2017(02)
[9]光声光谱与TDLAS技术在不同气压下的特性研究[J]. 陈奕钪,鞠昱,韩立. 光谱学与光谱分析. 2017(01)
[10]光声光谱技术进行气体检测研究综述[J]. 逯美红,郝瑞宇,王志军,何春乐,周小芳. 长治学院学报. 2011(05)
本文编号：3252204
【文章来源】：光电子·激光. 2020,31(12)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
4 997-5 003 cm-1波长范围内的CO2、CO、H2O、
所搭建的系统结构如图2所示,光源为中心波长2.0 μm、功率3 mW的DFB型可调谐二极管激光器(Nanoplus)。函数发生器(RIGOL,DG1000Z)输出的三角波和锁相放大器(Zurich Instruments,MFLI)输出的正弦波由加法器叠加后送入激光控制器(ILX Lightwave,LDC-3724C),实现对激光器输出波长的扫描和调制。输出激光经准直器(Thorlabs,F260APC G1550)准直后入射到光声池中,其透射光由功率计(Thorlabs,S120-FC)进行接收,实现对激光器功率的实时监测。光声池为硬铝材料制成,两侧端口利用石英玻璃片(JGS3)密封;长度为100 mm直径为10 mm的谐振腔内表面进行抛光处理,可以有效降低池壁对所测气体的吸收,谐振腔两侧的缓冲腔长度直径均为50 mm,可抑制由窗片吸收入射光以及气体流动产生的噪声;为了获得最大的光声信号,高灵敏度柱形微音器(北京声望,MP201)安装在光声池中间且紧贴内壁的位置,其输出信号经前置放大器(北京声望,MC102)放大后输入到锁相放大器进行解调得到所需信号。4 结果与讨论
波长调制光谱的一个重要特点是其谐波信号幅值是调制振幅的函数,对于本研究中采用的二次谐波而言,理论上最佳调制系数约为2.2,但由于实际测量系统会影响光谱的半高宽,所以实际值与理论值之间存在一定的差异,在此对0.1%CO2-N2气体在不同调制振幅下的二次谐波信号幅值进行测量,结果如图3(b)所示,可见本系统最佳调制振幅约为7.586 cm-1。4.2 系统测量准确度分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于2.004μm的离轴石英音叉增强型光声光谱测量CO2的研究[J]. 解颖超,王瑞峰,曹渊,刘锟,高晓明. 光谱学与光谱分析. 2020(09)
[2]多组分变压器油溶解气体的傅里叶变换红外光声光谱定量检测[J]. 刘丽娴,宦惠庭,Mandelis Andreas,邵晓鹏. 光谱学与光谱分析. 2020(03)
[3]基于激光光声光谱超高灵敏度检测SF6分解组分H2S[J]. 陈珂,袁帅,宫振峰,于清旭. 中国激光. 2018(09)
[4]湿度和SF6在石英增强光声光谱中对CO分子弛豫率的影响[J]. 卫婷婷,武红鹏,尹旭坤,董磊. 光学精密工程. 2018(08)
[5]石英增强光声传感技术研究进展[J]. 董磊,武红鹏,郑华丹,尹旭坤,马维光,张雷,尹王保,肖连团,贾锁堂. 中国激光. 2018(09)
[6]基于7.6μm量子级联激光的光声光谱探测N2O气体[J]. 周彧,曹渊,朱公栋,刘锟,谈图,王利军,高晓明. 物理学报. 2018(08)
[7]SF6气体检测技术的研究进展及发展趋势[J]. 刘群群,齐汝宾,赵赫,郑安平. 光学仪器. 2018(01)
[8]基于光声光谱和腔衰荡光谱的气溶胶光学特性测量研究[J]. 张建锋,潘孙强,陈哲敏,杨眉,裘越. 光电子·激光. 2017(02)
[9]光声光谱与TDLAS技术在不同气压下的特性研究[J]. 陈奕钪,鞠昱,韩立. 光谱学与光谱分析. 2017(01)
[10]光声光谱技术进行气体检测研究综述[J]. 逯美红,郝瑞宇,王志军,何春乐,周小芳. 长治学院学报. 2011(05)
本文编号：3252204
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