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《甲烷红外吸收光谱原理与处理技术分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第28卷,第11期光谱学与光谱分析Vol128,No111,pp2515225192008年11月SpectroscopyandSpectralAnalysisNovember,2008甲烷红外吸收光谱原理与处理技术分析3张宇,王一丁,李黎,郑传涛,安宇鹏,宋振宇集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区,吉林大学电子科学与工程学院,吉林长春130012摘要由于工业监控和环境检测的需要,基于红外吸收光谱分析原理,研制甲烷传感系统,日益得到人们的关注。文章描绘了甲烷中红外的基频吸收带和近红外的ν2+2
2、ν3组合带、2ν3泛频带的吸收光谱强度分布,并给出了相应的吸收光谱曲线。定量数据表明,甲烷的基频吸收要比泛频吸收高两个数量级以上,较组合频吸收高3个数量级以上。文章还介绍了甲烷检测的差分技术、谐波技术、腔光谱增强技术、以及光声技术,给出了相应检测方法的理论公式、能够达到的检测灵敏度以及系统的结构。这些技术的有效性已经被研究报道所证明。关键词红外吸收;甲烷;谐波检测;光谱增强;光声效应中图分类号:O65713文献标识码:ADOI:1013964/j1issn1100020593(2008)1122515
3、205为检测机制,所以必须明确甲烷气体的吸收谱线,找出适合引言设计要求的红外区的吸收峰,依此决定测量系统的结构。CH4分子具有4个固有的振动,相应产生4个基频,全-1甲烷是一种易燃易爆气体,是煤炭行业中发生各类事故部处于中红外波段。4个基频的波数是:ν1=291310cm,-1-1-1的隐患之一。一般认为,甲烷爆炸下限为5%,上限为15%,ν2=153313cm,ν3=301819cm,ν4=130519cm。每在浓度为918%时最容易爆炸。美国规定每间隔20min就要一个固有振动对应一个光谱吸收带,
4、它们的波长分别为[1]进行一次检测,或者在煤矿作业期间增加监测的频率。同3143,6153,3131,7166μm。图1给出了甲烷气体在3131时,甲烷也被认为是温室效应最主要的气体之一,甲烷吸收μm基频吸收带的吸收强度分布。红外线能力是二氧化碳的15～30倍,占据整个温室贡献量[2]的15%。空气中的甲烷浓度每年大约以1%的速度增长。目前应用于甲烷气体的检测方式主要有载体催化燃烧[3]式、热导式、光干涉式、红外吸收式等。比较可以看到,红外吸收原理的甲烷传感器具有独到的优势。因此,研制和开发红外光谱气
5、体分析仪对于提高气体安全检测监控水平有着重要的现实意义。在20世纪70年代就开展了甲烷气体红外传感检测技术[4][5]的研究,近几年这方面的研究有加速发展的趋势。本文给出甲烷红外吸收光谱特点,并就具体的技术方法加以分析比对,以期对甲烷红外传感检测方法给出较为全面的讨论。Fig11AbsorptionspectraofCH4near3131μm1甲烷红外吸收光谱原理在近红外区,有许多泛频带和组合频带。1983年,日本Tohoku大学用InGaAsPLED和锗探测器对ν2+2ν3组合带111甲烷吸收光谱特
6、点进行了测量,在1133μm附近的Q支带吸收是相当强的,其红外甲烷气体传感器是利用甲烷气体的红外吸收光谱作吸收峰出现在113312μm处[6]。1984年,该大学又对CH4收稿日期:2007206228,修订日期:2007209229基金项目:国家自然科学基金项目(60477012)资助作者简介:张宇,1982年生,吉林大学电子科学与工程学院博士研究生e2mail:zy190117@163.com3通讯联系人e2mail:wangyiding47@yahoo.com.cn2516光谱学与光谱分析第28
7、卷[8]分子的2ν3谐波段进行了检测,发现在1166μm附近Q支带图3是Nagali等利用InGaAsPLD、采用单波长双光[7]的光谱带宽约为3nm,最大吸收波长在116654μm处。路原理检测甲烷气体浓度的系统结构图。在工作电流100图2给出了甲烷气体在1166和1133μm附近吸收带的吸收mA、调制频率100Hz的驱动电路作用下,InGaAsPLD发强度分布。出11646μm的光束,经过分束器后形成两路光。一束耦合进入长度为20cm的气室,成为信号光,被Ge探测器A接收;另一束作为参考光直接进入
8、Ge探测器B。两路信号进行差分,消除光源的不稳定等因素干扰。该系统在300K情况-5下,在空气中CH4探测灵敏度达到510×10。Fig12AbsorptionspectraofCH4near1166and1133μm比较而言,甲烷对波长3131μm的吸收强度分别是1133Fig13Schematicofsingle2wavelengthand和1166μm的1300多倍和160多倍。然而,利用调制技术dual2beampathdifferentials
