用于大气二氧化碳探空仪的非分光光源的初步研究

2014-12-04万飞，黄见，冯林

照明工程学报 2014年5期

万飞，黄见，冯林

(1.武汉职业技术学院，湖北武汉 430074;2.安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室，安徽合肥 230031;3.安徽省气象局大气探测中心，安徽合肥 230031)

研究背景

大气二氧化碳是大气中最重要的温室气体之一，其来源有天然和人为两个来源。天然源主要包括海洋脱气，动植物呼吸、腐败作用和生物质燃烧，以及甲烷的转化。大气二氧化碳主要的人工源是矿物燃料燃烧和人类的工业活动。大气二氧化碳的温室效应，在全球碳循环研究和气候变化预测中不可或缺［1］。地球表面及其生物圈是大气二氧化碳重要的源与汇。大气二氧化碳的含量，特别是在混合层内，与地球表面及其生物圈关系非常密切。但是，由于探测手段少和数据少等原因，至今大气CO2垂直分布及其变化的许多特征还不是非常清楚。

探空仪具有很高的垂直分辨率和探测精度，是大气研究与环境监测的有力工具。二氧化碳气体在4.26μm波段有一个非常强的吸收区［2］，可以用这个波段的非分光光源来测量大气中的二氧化碳含量。本文主要研究可用于大气二氧化碳探空仪的非分光光源技术。

1 二氧化碳的非分光测量方法

非分光红外法一般采用宽带光源，经过气室后用两个不同波长的滤波片进行滤光，得到波长邻近的λ1和λ2波长的两个光辐射，其中λ1在CO2气体吸收峰上，而CO2气体对λ2不吸收 (或非常弱);这里λ1的光辐射作为检测信号，波长λ2的光辐射作为参考信号。

图1 非分光红外法原理框图Fig.1 Block diagram of a non-dispersive infrared method

如图1所示，光源发出的光经过气室到达分束器，分束器将光束分成两束，然后分别通过中心波长为λ1和λ2的干涉滤光片，照射在相应的探测器上，转换为电信号。设中心波长为λ1和λ2的光进入气室前的光强分别为I10和I20，经过气室后的光强分别为I1和I2，与分光红外法类似，有如下公式:

A为吸光度，T为透射比，是投射光强度比上入射光强度，c为吸光物质的浓度，b为吸收层厚度。

式中，K为光路的结构系数，D1、D2是探测器1和探测器2的光电转换系数，N是待测气体的分子数密度。根据上面两式，可以得出待测气体的分子数密度:

其中，λ1≈λ2，选择一个双通道探测器芯片，芯片上集成中心波长λ1和λ2的滤光片，也就是说一块芯片上集成了两路探测器和相应的前置滤光片，这两个探测器的温度特性基本一致，使测量结果受环境因素影响较小。

采用非分光红外法，选择了4.26μm的CO2强吸收区作为测量波段，以及3.91μm的CO2不吸收区作为参考波段。根据式 (1)，通过宽带红外光源发出的4.26μm和3.91μm的红外线经过气室后的光强之比，反演出二氧化碳气体的浓度。

2 非分光光源

2.1 光源的工作原理

电调制MEMS红外光源一般采用热激发的工作方式，通过发热电阻的电热效应获得高温辐射体，使其对外辐射能量，辐射类似于黑体辐射。一个性能良好的辐射源要求在较高的辐射度的情况下有较高的辐射效率，从而降低能量损耗;并且要求短的响应时间和在截止调制频率下有较大的调制深度。黑体的辐射出射度遵循普朗克公式:

其中，k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，T为黑体温度，λ为波长，c为光速，M为黑体的辐射出射度。

2.2 光源芯片的选择

CO2的吸收峰在4.26μm处，这里我们选用瑞士LEISTER公司生产的HSL EMIRS200型号的红外光源。该红外光源是一种多用途的热红外光源，发射光谱范围为2～16μm，可以用变化的输入电信号直接调制。

根据热辐射定律，当物体处于热平衡状态时，吸收率等于发射率。这就意味着吸收率越高，发射率也就越高。这款EMIRS200型红外光源表现出特别好的黑体特性，在不同电调制功率下使用傅里叶红外光谱仪测量得到的发射光谱如图1所示，测量得到的曲线 (黑色)很好地接近普朗克分布 (图中的红色曲线)，表明该光谱与热黑体的发光谱具有非常好的一致性。EMIRS200型红外光源封装了一个反射片，以使发出的红外线的发散角减小。

图2 EMIRS200型红外光源在不同温度时的输出光谱Fig.2 EMIRS 200 infrared light output spectra at different temperatures

3.3 脉冲调制电路

由于红外探测器只对红外辐射的变化有反应，需要对红外光源进行调制，使其按一定频率在发光和不发光两个状态切换。MSP430单片机既可以作为恒压源对外供电，又可以通过定时器输出一定频率的电压脉冲，其输出电压幅值均为3.3V;然而光源工作电压的典型值为5.7V，所以为了产生一个符合光源工作电压幅值的脉冲，在设计上选用LM317芯片。

LM317的输出电压范围是1.2V～37V，负载电流最大为1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。

所设计的脉冲调制电路如图3所示，LM317芯片的输入端是MSP430单片机提供的3.3V的恒压源，输出端的幅值为V2=1.25(R1/R2)，比如可以取红外光源的典型值5.7V，然而V2为直流恒压，为了获得脉冲信号，在J2处接入定时器输出的频率可以设置的电压脉冲，幅值为3.3V;通过限流电阻R4接到三极管Q1的基极，那么在J3的1，2两端之间的电压就可以实现所期望的电压幅值 (比如光源工作的典型值5.7V)和频率。

3 初步实验结果

利用该光源，我们研制了一个测量CO2的实验装置［2－3］，该实验装置的进气口与 EC9810型 CO2分析仪的采气口放在同一位置，进行同步对比观测。从探测器的两通道可以获得表征I1和I2的数字量。测量通道和参考通道AD转换后的UCO2和Uref分别用I1和I2来表示。2012年3月7日16点到3月8日16点进行了实验，并计算出EC9810型分析仪测得的CO2浓度与A随时间的变化趋势如图4所示，该图反映出二氧化碳浓度与A具有较好的一致性。

图4 CO2浓度与A随时间的变化图Fig.4 A Change in CO2comcentration versus time diagram

图5 CO2浓度与－ln(I1/I2)的线性拟合Fig.5 CO2concentration and-ln(I1/I2)of the linear fit

通过线性拟合 (图5)，可以得到关系式

与关系式 (4)进行比较，可认为

在得出定标公式之后，2012年3月9日18:00到3月10日18:00进行对比实验，利用标定的关系式得到CO2的浓度，再与澳大利亚ECOTECH公司的EC9810型CO2分析仪测得的数据进行对比(图6)。以EC9810型CO2分析仪的数据为标准，该实验装置的测量误差如图7所示，误差范围在－10ppm～10ppm，经过统计分析，其在24小时的标准差为3.76ppm，表明该实验装置已经有了较高的测量精度。我们还在2012年9月9日到9月22日进行了14天的连续验证，如图8所示，说明该LED光源已具备测量大气二氧化碳的应用前景。