基于2.004μm的离轴石英音叉增强型光声光谱测量CO2的研究

• 作者: 刘锟 曹渊 王瑞峰 解颖超 高晓明
• 来源期刊: 光谱学与光谱分析
• 学科: 化学
• 关键词: 离轴石英音叉增强型光声光谱 二氧化碳 探测 二次谐波检测技术
• 年，卷（期）: 2020,（9）
• 页码范围: 2664-2669
• 页数: 6页
• 分类号: O657.3
• 字数: 2903字
• 语种: 中文
• DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2020)09-2664-06

摘要

CO2是大气的重要组成成分,也是现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气的产物.一方面大量的人源排放CO2进入大气是引发温室效应最主要因素,另一方面,CO2是窒息性气体,在封闭环境积累过高的CO2会导致窒息等安全问题.因此发展小型化、高灵敏度的CO2检测技术在大气环境探测、封闭环境工作区域安全监测等方面具有重要意义和应用需求.利用近年来快速发展的小型化石英音叉谐振增强光声光谱技术,采用相对简单的离轴结构方案,开展了探测CO2的研究.离轴石英音叉增强型光声光谱技术具有探测模块体积小、灵敏度高、抗干扰、成本低、功耗低,对激光器要求低等优点,在发展低功耗便携式气体传感器方面具有巨大的潜力.近年来,尤其是随着近红外激光器技术的逐渐成熟,为离轴石英音叉增强型光声光谱技术提供质量更好、能量更高的激励光源,使得离轴石英音叉增强型光声光谱检测技术具有更高的探测灵敏度,实现了在低浓度下对气体进行精确的检测.通过HITRAN 2012分子光谱数据库筛选出适合探测的谱线,选择2.004μm近红外分布反馈式半导体激光器作为激励光源,通过波长调制方式来激发CO2光声信号,并采用二次谐波检测技术实现光声信号的探测.实验中通过对进样CO2气体加湿、优化调制振幅等方式提高检测性能,实现了空气CO2的探测.在常压下,通过配气仪配置不同浓度的CO2样品,开展了浓度与信号的响应特性研究,获得了良好的线性响应结果.同时也开展了相同浓度CO2样品在不同压力下的信号测量研究,并用Allan方差对系统性能进行评估.结果表明,当平均时间为1000 s时,系统的探测极限为4×10-3μL·L-1,在压力150 Torr时可获得最佳的测量信号,常压下系统对CO2的最小探测灵敏度为15μL·L-1,相应的归一化噪声等效吸收系数为7.33×10-9,在150 Torr下最小探测灵敏度为6μL·L-1.