基于阈值调节的腔衰荡光谱检测量程扩展方法研究
发布时间：2022-01-04 18:50
当待测气体浓度较高时,腔内吸收损耗较大,限制了腔衰荡光谱检测技术的检测量程。针对这一问题,分析了采样阈值与气体浓度检测之间的相关性,模拟了阈值调节对检测精度的影响,建立了描述阈值与气体浓度的动态响应范围的模型,提出了通过调节阈值实现检测量程扩展的方法。在实验中,利用腔衰荡光谱检测装置对不同浓度的甲烷标准气体进行测量,测量结果与理论模拟结果一致。通过调节检测阈值,将量程扩展到1×10-4（体积分数）,动态响应范围为2.72×104,最大引用误差为0.78%。该方法解决了腔衰荡光谱技术中低检出限和大量程不能同时满足的问题,为阈值参数的设置提供了分析方法。
【文章来源】：中国激光. 2020,47(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
不同衰荡时间下设置采样阈值对检测精度的影响以及阈值固定时检测精度与衰荡时间的关系。
选用1654 nm附近2v3吸收带的甲烷吸收谱线,结合HIRAN数据库和Voigt线型对甲烷气体的吸收截面进行计算[7,15],在25 ℃温度和标准大气压下,吸收截面 σ(ν)=1.47×10-20 cm2/molecule。根据出射光强与阈值的对应关系,对不同阈值下的检测量程进行了模拟,结果如图2(a)所示,当阈值设置为9.80 mV时,可对体积分数为5×10-5的甲烷气体进行测量;当阈值设置为180.20 mV时,甲烷气体的最大检测量程(体积分数,全文同)仅为2×10-6。设置的阈值越高,对应的检测量程越小,阈值越低,可响应的动态检测范围越大。阈值的设置影响检测精度和测量范围,进而影响仪器的检出限和动态响应范围,因此在实际操作时,阈值的设置必须要兼顾检测量程与精度。由图2(b)可知,当甲烷的体积分数为5×10-4时,采集阈值为1.8 mV,对应的衰荡时间为0.27 μs,衰荡信号的触发采集以及衰荡时间的解算都较难实现。阈值调节方法受探测器响应特性[16]、数据采集模块的分辨率以及算法的限制,量程只能得到有限的扩展。
标准气体通过质量流量控制器进入腔体内。在腔体的输入输出端加有干燥器和颗粒过滤器,以防止水汽和细微颗粒物对实验的干扰。在实验中,首先在衰荡腔内通入氮气(N2,体积分数为99.99%),设置不同的采样阈值并获取对应的衰荡时间。探测器零点偏置约为3.5 mV,为了避免随机噪声和高阶模式触发的影响,触发阈值起始设置为20 mV,采样间隔为20 mV,逐渐增大阈值直到信号强度无法满足触发条件(260 mV)为止。与前述数值模拟相同,使用 Δτ/ τ ˉ 来衡量检测精度, τ ˉ 为采集的1000组衰荡时间的平均值。如图4所示,触发阈值设置为20 mV时,信噪比为22.41 dB, Δτ/ τ ˉ 为0.053;触发阈值设置为260 mV时,信噪比为44.91 dB, Δτ/ τ ˉ 为0.0044,提升了11.05倍。设置的触发阈值越高,信噪比越大,检测精度也越高。
【参考文献】：
期刊论文
[1]连续波腔衰荡光谱技术中模式筛选的数值方法[J]. 王金舵,余锦,貊泽强,何建国,代守军,孟晶晶,王晓东,刘洋. 物理学报. 2019(24)
[2]腔增强吸收光谱技术研究进展及其应用[J]. 韩荦,夏滑,董凤忠,张志荣,庞涛,孙鹏帅,吴边,崔小娟,李哲,余润磬. 中国激光. 2018(09)
[3]激光光谱技术在呼吸气体分析中的发展与未来[J]. 姜琛昱,孙美秀,李迎新,王储记. 中国激光. 2018(02)
[4]东海冲绳海槽西部陆坡甲烷渗漏发育的孔隙水地球化学证据[J]. 李清,蔡峰,梁杰,邵和宾,董刚,王丰,杨传胜,胡高伟. 中国科学:地球科学. 2015(05)
[5]探测器的响应特性及对连续波腔衰荡技术测量的影响[J]. 谭中奇,龙兴武,张斌. 中国激光. 2009(04)
[6]连续波腔衰荡法的一种新理论推导方法及其应用仿真[J]. 谭中奇,汪之国,龙兴武. 光子学报. 2007(S1)
本文编号：3568877
【文章来源】：中国激光. 2020,47(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
不同衰荡时间下设置采样阈值对检测精度的影响以及阈值固定时检测精度与衰荡时间的关系。
选用1654 nm附近2v3吸收带的甲烷吸收谱线,结合HIRAN数据库和Voigt线型对甲烷气体的吸收截面进行计算[7,15],在25 ℃温度和标准大气压下,吸收截面 σ(ν)=1.47×10-20 cm2/molecule。根据出射光强与阈值的对应关系,对不同阈值下的检测量程进行了模拟,结果如图2(a)所示,当阈值设置为9.80 mV时,可对体积分数为5×10-5的甲烷气体进行测量;当阈值设置为180.20 mV时,甲烷气体的最大检测量程(体积分数,全文同)仅为2×10-6。设置的阈值越高,对应的检测量程越小,阈值越低,可响应的动态检测范围越大。阈值的设置影响检测精度和测量范围,进而影响仪器的检出限和动态响应范围,因此在实际操作时,阈值的设置必须要兼顾检测量程与精度。由图2(b)可知,当甲烷的体积分数为5×10-4时,采集阈值为1.8 mV,对应的衰荡时间为0.27 μs,衰荡信号的触发采集以及衰荡时间的解算都较难实现。阈值调节方法受探测器响应特性[16]、数据采集模块的分辨率以及算法的限制,量程只能得到有限的扩展。
标准气体通过质量流量控制器进入腔体内。在腔体的输入输出端加有干燥器和颗粒过滤器,以防止水汽和细微颗粒物对实验的干扰。在实验中,首先在衰荡腔内通入氮气(N2,体积分数为99.99%),设置不同的采样阈值并获取对应的衰荡时间。探测器零点偏置约为3.5 mV,为了避免随机噪声和高阶模式触发的影响,触发阈值起始设置为20 mV,采样间隔为20 mV,逐渐增大阈值直到信号强度无法满足触发条件(260 mV)为止。与前述数值模拟相同,使用 Δτ/ τ ˉ 来衡量检测精度, τ ˉ 为采集的1000组衰荡时间的平均值。如图4所示,触发阈值设置为20 mV时,信噪比为22.41 dB, Δτ/ τ ˉ 为0.053;触发阈值设置为260 mV时,信噪比为44.91 dB, Δτ/ τ ˉ 为0.0044,提升了11.05倍。设置的触发阈值越高,信噪比越大,检测精度也越高。
【参考文献】：
期刊论文
[1]连续波腔衰荡光谱技术中模式筛选的数值方法[J]. 王金舵,余锦,貊泽强,何建国,代守军,孟晶晶,王晓东,刘洋. 物理学报. 2019(24)
[2]腔增强吸收光谱技术研究进展及其应用[J]. 韩荦,夏滑,董凤忠,张志荣,庞涛,孙鹏帅,吴边,崔小娟,李哲,余润磬. 中国激光. 2018(09)
[3]激光光谱技术在呼吸气体分析中的发展与未来[J]. 姜琛昱,孙美秀,李迎新,王储记. 中国激光. 2018(02)
[4]东海冲绳海槽西部陆坡甲烷渗漏发育的孔隙水地球化学证据[J]. 李清,蔡峰,梁杰,邵和宾,董刚,王丰,杨传胜,胡高伟. 中国科学:地球科学. 2015(05)
[5]探测器的响应特性及对连续波腔衰荡技术测量的影响[J]. 谭中奇,龙兴武,张斌. 中国激光. 2009(04)
[6]连续波腔衰荡法的一种新理论推导方法及其应用仿真[J]. 谭中奇,汪之国,龙兴武. 光子学报. 2007(S1)
本文编号：3568877
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