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1、基于TDLAS的一氧化碳?xì)怏w濃度測(cè)量技術(shù)研究摘要:隨著世界工業(yè)化的進(jìn)展,環(huán)境污染已日趨嚴(yán)重,環(huán)境保護(hù)問(wèn)題也越來(lái)越引起人們的關(guān)注,空氣污染給人們的健康帶來(lái)較大的危害,環(huán)境污染的有效監(jiān)測(cè)與控制,需要一系列的新型傳感測(cè)量技術(shù)。因此,在環(huán)境污染和工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中,研宄高精度、高靈敏度測(cè)量技術(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)一氧化碳?xì)怏w濃度的測(cè)量具有重要意義。本文探討了激光二極管頻率調(diào)制和諧波檢測(cè)技術(shù)后,采用可調(diào)諧二極管激光器吸收光譜學(xué)技術(shù)測(cè)量一氧化碳?xì)怏w濃度的技術(shù)方法。關(guān)鍵字:吸收光譜學(xué)、調(diào)制、諧波檢測(cè)、濃度測(cè)量一、引言環(huán)境污染是指人類直接或間接地向環(huán)境排放超過(guò)其自凈能力的物質(zhì)或能量,從而使環(huán)境的質(zhì)
2、量降低,對(duì)人類的生存與發(fā)展、生態(tài)系統(tǒng)和財(cái)產(chǎn)造成不利影響的現(xiàn)象。具體包括:水污染、大氣污染、噪聲污染和放射性污染等。隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展和人民生活水平的提高,環(huán)境污染也在增加,環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越成為世界各個(gè)國(guó)家的共同課題之一。眾所周知,一氧化碳相對(duì)空氣比重為0.967,不能溶于水,是一種無(wú)色、無(wú)味氣體。主要來(lái)源于含碳燃料、卷煙的不完全燃燒,其次是煉焦、煉鋼、煉鐵等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程所產(chǎn)生的。一氧化碳在常溫狀態(tài)下其化學(xué)性質(zhì)并不活潑,當(dāng)其在空氣中的混合比例處于12.5%至76%時(shí),遇到火源能夠發(fā)生爆炸。一氧化碳還是有劇毒性的氣體。我國(guó)空氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定居住區(qū)一氧化碳日平均濃度
3、低于4.00毫克/立方米。因此,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一氧化碳的產(chǎn)生源、泄漏源,對(duì)于人身安全、工業(yè)生產(chǎn)的安全進(jìn)行及環(huán)境保護(hù)都有著重要的意義。從基本原理上講吸收光譜學(xué)技術(shù)具有很大優(yōu)勢(shì),由于過(guò)去激光制造技術(shù)的相對(duì)落后,這項(xiàng)技術(shù)得不到快速發(fā)展。這是因?yàn)楫?dāng)吋基于Pb鹽的激光源在5-范圍內(nèi)冋吋存在多種波長(zhǎng)。因此,還需要過(guò)濾器來(lái)選擇單一波長(zhǎng)。另外,激光源和探測(cè)器的工作溫度要保持在在幾十K左右,需要液氮來(lái)進(jìn)行冷卻,功率也只有幾十PW,因此,吸收光譜學(xué)技術(shù)的發(fā)展嚴(yán)重受制于這些因素。隨著半導(dǎo)體電子技術(shù)的發(fā)展,基于InGaAsP/InP材料的可調(diào)諧激光二極管(TDL)出現(xiàn),給紅外吸收光譜學(xué)技術(shù)的發(fā)展迎
4、來(lái)曙光,徹底改變了上述的閑境。由于這種激光器可在室溫下工作、可調(diào)諧、可調(diào)頻、調(diào)幅、輸出譜線窄、方向性好、分別率極高、輸出波長(zhǎng)-頻率可在較大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)、長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性及功率大等諸多優(yōu)點(diǎn),使得可調(diào)諧半導(dǎo)體二極管激光器吸收光譜學(xué)技術(shù)(TDLAS)在工業(yè)界迅速發(fā)展起來(lái)。二、國(guó)內(nèi)發(fā)展綜述目前,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研制出幾種不同的半導(dǎo)體二極管激光器,這些激光器的發(fā)射光譜很窄,lOinf1為或更窄;另外,當(dāng)二極管激光器的激光功率足夠高時(shí),可以使受激發(fā)分子的躍遷達(dá)到飽和。在這種情況下,光譜分辨率受多普勒的影響可以忽略不計(jì),紅外光譜學(xué)高的分辨率可以使工作者對(duì)分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)的聯(lián)系作進(jìn)
5、一步的研究。1.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,基于TDLAS技術(shù)的氣體傳感器,項(xiàng)0來(lái)源:公益事業(yè)專項(xiàng)資金。概況:基于可調(diào)諧二極管激光器吸收光譜技術(shù)(TDLAS)的氣體傳感器,是結(jié)合光電子學(xué),光譜學(xué),以及微弱信號(hào)處理等高新技術(shù)的氣體傳感器系統(tǒng)。該設(shè)備與傳統(tǒng)的氣體傳感器裝置(電化學(xué)法,氣象色譜法,吸附法)相比具有更高的靈敏度,更精確的測(cè)量數(shù)據(jù),更快的響應(yīng)速度,以及在線實(shí)吋測(cè)量等特點(diǎn)。通過(guò)內(nèi)建程序及顯示屏,可以實(shí)吋顯示當(dāng)前的待測(cè)氣體濃度,以及各測(cè)量量隨吋間變化的曲線。標(biāo)準(zhǔn)的RS232通信接口可以方便的向上位機(jī)傳輸實(shí)吋測(cè)量數(shù)據(jù)。通過(guò)光纖和電纜的延伸,可以進(jìn)行遠(yuǎn)端在線測(cè)試。通過(guò)可更換
6、的氣室選擇,完成不同環(huán)境下的測(cè)試任務(wù)。并且我們可以根據(jù)客戶的要求進(jìn)行定制氣體(H2O,NO,CH4,FH)的測(cè)試。2.2011年,ZhangTingting,ZhaoYanjie,WeiYubin,WangChang,LiuTongyu在Proceedingsof2011WorldCongressonEngineeringandTechnology上發(fā)布ApplicationofFilteringinTraceC_2H_2DetectionbasedonTDLASo1.2011年12月8日,蔡彥,吳尚謙,伍昂,翟維,董躍輝在《科學(xué)技術(shù)與工程》期刊發(fā)表《TDLAS二次諧
7、波信號(hào)檢測(cè)下限計(jì)算方法的研究》。2.2010年11月15日,張志榮,董鳳忠,涂郭結(jié),夏滑,龐濤,吳邊,王煜在《光電子?激光》月刊發(fā)表《可調(diào)諧激光痕量氣體檢測(cè)中的數(shù)字濾波技術(shù)的優(yōu)選》。3.2014年9月25日,閻杰,翟暢,王曉牛,黃文平在《中國(guó)儀器儀表》月刊發(fā)表《基于TDLAS的工業(yè)過(guò)程氧氣分析儀》。4.2013年12月8日,張志榮,吳邊,夏滑,龐濤,王高旋,孫鵬帥,董風(fēng)忠,王煜在《物理學(xué)報(bào)》上發(fā)表《基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)的氣體濃度測(cè)量溫度影響修正方法研究》。5.2013年12月15日,陳帆,陶波,黃斌,王可,張勇健,范瑋在燃燒《科學(xué)與技術(shù)》