基于可调谐二极管激光吸收光谱遥测ch4浓度

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第26卷，第2期光谱学与光谱分析Vo1．26，No．2，pp2212242006年2月SpectroscopyandSpectralAnalysisFebruary，2006基于可调谐二极管激光吸收光谱遥测CH4浓度汪世美，刘文清，刘建国，涂兴华，杨立书中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽合肥230031摘要文章对叮调谐二极管激光的直接吸收和波长调制光谱进行了理论分析，设计了一套用于研究甲烷吸收特性的测量系统。近红外二极管激光工作在室温下，选用波长为1．65m，利用

2、甲烷的2地带R(3)线实现对甲烷气体的吸收测最，对测量的信噪比和系统的基本噪声源进行了分析，为实现甲烷浓度的在线遥测打下基础。主题词二极管激光；波}乏调制光谱；遥测；甲烷中图分类号：0433．1文献标识码：A文章编号：1000—0593(2006)02—0221一O4级⋯。引言对于甲烷气体的测量，我们选用波长为1．65m的：二极管激光，通过甲烷2带R(3)线的吸收对甲烷气体浓度进行甲烷是大气平流层的组成要素，在大气化学和温室效应检测。通过波长调制，利用二次谐波(2_厂)探测，大大的提高中起着重要的作用，人类社会和生

3、产活动造成地球大气中温l『TDLAS系统的探测灵敏度，这埘于痕最气体探测尤其重室气体(~n-氧化碳、甲烷等)浓度的增加，成为导致全球气要；对于浓度比较高的气体，直接吸收探测就可以满足需候变暖的重要原因。气候变暖是国际社会公认的最重要的全要，因此，本文对甲烷气体直接吸收和2，探测两种方法进球性环境问题之一，我国于2001年末开始准备编制1994年行了实验研究，并对两种方法进行了比较。中国温室气体排放清单，并计划于2003年向公约提交，估算国家的甲烷排放量。承担限期减排温室气体，这需要对甲烷1可调谐二极管激光吸收光谱气

4、体浓度的监测。同时甲烷也是燃料和未充分燃烧污染的重要组成成分，瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌，目前已1．1分子吸收的线型和强度成为制约煤矿安全生产的主要矛盾。“监测监控”，是预防瓦由于气体分子的跃迁能级总是存存一定的宽度，它的吸斯事故的重要防线和保障措施。因此，对甲烷浓度的探测有收潜线不可能是一个单一的频率，有一个可测量的宽度，因非常重要的意义。使用可调谐二极管激光吸收光谱(TD-此要考虑基本的光谱学参数：光潜线型和谱线强度。在压力加宽的情况下，它的线型是属洛伦兹线型LAs)测量气体分子的吸收已经有2o多年的历史

5、，今天，它成为公认的高灵敏度测量方法l_1]。用可调谐二极管激光一]㈤(TDL)研究气体分子的孤立吸收线的吸收时，二极管激光器(1)式中(v)为吸收截面，S为吸收线的积分强度，M的线宽一般可达10cm，远小于气体分子的吸收线宽，为洛伦兹线型的半宽度(HWHM)，为线中心频率。二极管激光器具有很窄的线宽，可以获得很高的选择性，特当采样压力降低时，线宽开始减小，当压力减小到儿百别是对实验室的光谱测量，提供了前所未有的分辨率。帕时变成多普勒加宽，它的线型为高斯线型近红外TDLAS的发展得益于过去1O～15年的通讯工)=S

6、(一)ln2(2)业的巨大进步，像激光器，光纤和探测器的技术进展使得近一n2xp『)红外TDLAS系统的器件变得更便宜，并迅速走向实用为多普勒线宽。化l_5]。在近红外TDLAS的运用中，提高灵敏度变得尤为重当采样压力低于大气压，大约住1000~5000Pa时，多要，因为在近红外(1～4m)光谱范围内分子跃迁谱线多是普勒线宽与洛伦茨线宽相当，在这样的压力范围内的线为分子的泛频或组合带，其吸收线强度比基频要弱几个数量两者的卷积，我们称之为伏赫特(Voigt)线型；它表达为复杂收稿Et期：2004—12—08．修订日期

7、：2005—0328基金项目：国家自然科学基金(10274080)资助项目作者简介：汪世美，1972年生。中国科学院安徽光学精密机械研究所助理研究员维普资讯http://www.cqvip.com222光谱学与光谱分析第26卷的偏差函数，通常难以估计，在中心频率Yo处，通常近似的整个系统装置如图1所示。进行2f检测时，二极管激表达为光器发出的光通过样品池，经角反射镜入射到探测器，探测()一s／E2~(1．065十0．447x+0．058x)](3)器的信号进入锁相放大器，其输出的2f信号被采集到计算其中：为伏赫特线

8、宽，三种线型对应的线宽为：x=r~／rv机。信号发生器同时产生锯齿波扫描信号与正弦波调制信YL(P／Po)(To／T)：／z号，通过激光器电流控制器对激光的波长调制。当进行直接yD一[2KT(1n2)／M]／№／f(4)吸收探测时，激光器的波长只被锯齿波扫描，而不被正弦波调制，探测器的信号不通过锁相放大器而直接送入计算机。O'V(v)一0．5346yT十(O