AOTF-NIR光谱仪用于混合气体定量分析的探索

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1、万方数据第29卷，第8期209年8月光谱学与光谱分析SpectroscopyandSpectralAnalysisV01．29，No．8，pp2087—2091August，2009AOTF-NIR光谱仪用于混合气体定量分析的探索郝惠敏1’2，曹建安1，于志强2，KenJia3，刘君华11：西安交通大学电气工程学院，陕西西安7100492．太原钢铁公司．山西太原0300033．美国Brimro目e公司，美国巴尔的摩21152—9201摘要探索了以声光可调滤波器(acousto-optictumblefilter，AOTF)为分

2、光器件的新一代近红外(NIR)光谱仪用于气体检测的可行性，并提出一种多组分混合气体近红外光谱分析的新方法。将一个自制的气室与AOTF-NIR光谱仪配接，从而实现了当前仅限于固体和液体检测的A册Nm光谱仪对气体的检测。实验首先获取并比较了甲烷在不同浓度下的近红外光谱。结果显示，当浓度大于0．1％时，甲烷的吸光度明显地随其浓度的增加而增加。随后参照仪器对甲烷的检测低限设计了甲烷、乙烷和丙烷三组分混合气体样本，并采集了它们的近红外光谱。三种组分气体的定量分析模型由核偏最小二乘(kernelpartialleastsquares，KP

3、LS)回归法建立，模型的预测能力采用检验集的预测均方根误差(rootmeansquareelrorofprediction，RMSEP)评定。与偏最小二乘(PLs)回归分析效果的对比研究表明，KPLS回归较PLS回归在NIR光谱数据的分析上更具优越性。关键词声光可调滤波器；近红外光谱；核偏最dx--乘回归；气体混合物；定量分析中图分类号：TE64．TH744．4文献标识码：ADOI：10．3964／j．issn．1000--0593(2009}08—2087—05引言AOTF-NIR光谱仪采用AOTF(h2]作为分光系统并与高

4、精度的InGaAs探测器相结合使其呈现出前几代近红外光谱仪所无法匹敌的优点：高精度、高分辨率、扫描速度快、工作稳定、以及小型化等。突出的优越性使得ACrrF-N氓光谱仪在包括食品、农牧业、石油精炼、化学工程、制药、过程控制等诸多领域得到了成功应用[}91。尽管不同学科的学者和科技人员还在不断地扩展AOTF-NIR光谱仪的应用范围，但是其应用仍然局限在固体和液体的检测，在气体检测中的应用研究还很少，而且现有的光谱仪也没有配备专门用于气体检测的相应配件，被测气体不能处于一个稳定的被测状态，从而无法实现对气体的检测。本文的研究目的是

5、在现有的用于固体和液体检测的AOTF-NIR光谱仪上配接一个气室，从而将AOTF-NIR光谱仪的应用领域从固体和液体检测扩展到气体检测。多项研究报道表明CH·在近红外区域是有特征吸收的L10’11]，因此首先采用配接了气室的AOTF-NIR光谱仪对CH

6、的近红外光谱进行采集和分析，然后对不同浓度的CH．，c2H。和C3Hs的混合气体样本进行了近红外光谱的采集，并采用KPLS回归法[1¨。3建立了三种组分气体的定量分析模型。KPLS回归和PLS回归模型分别对同一检验集预测结果的对比研究表明：KPLS回归较PLS回归对近红外光谱数

7、据的分析更具优越性。本文的研究为气体分析提供了一种新的方法，为用于气体分析的A啡N氓光谱仪的研制提供了依据。1实验部分1．1主要仪器和实验平台配有液体探测杆的Luminar5030-731A册N承近红外光谱仪(BrimroseCorporationofAmerica，Baltimore，MD，USA)；采用Scientific流量控制器(AlicatScientificInc．，Tucson，AZ．USA)组建的高精度(量程范围O～O．5InL-min叫到o～15L·min～，精度士1％F．S)配气系统；以316’不锈钢为主体

8、原料自制的容积156IIlL的可抽真空气室。将可抽真空气室配接在Luminar5030-731ACrrF-NIR近红外光谱仪的液体探测杆上，并使探测杆上吸光探测区域处于气室的进气口和出气口之间。由光谱仪发出的近红外光收稿日期：2008—08-16．修订日期：2008—11—18基金项目：国家自然科学基金项目(60276037)资助作者简介：郝惠敏-女，1971年生．西安交通大学电气工程学院讲师e-mail：helenwangmin{鸟gnmiL∞m万方数据2088光谱学与光谱分析第29卷透过被测气体并被气体吸收，扫描得到的近红

9、外光谱数据反映被测气体的浓度。高精度配气系统按照设计的混合配比实现混合气体的动态配制。1．2样本设计本研究设计的气体样本共分两组：单组分CH。和CH。、c2Hs、c3Hs三组分混合气体。文中采用的单组分被测气体均为纯度高于99．95％的标准气体，并用纯度为99．99％的Nz对