基于Chernin型光学多通池的一氧化碳和二氧化碳测量系统研究

陈亚歌 佘新宇 刘新 张刚 张婷 蔡廷栋

摘  要：光学多通池被广泛应用于吸收光谱气体的检测，以增长光路和提高检测灵敏度。本文使用连续可调谐二极管激光器作为光源，结合长程吸收以及波长调制技术，探测了在1.571μm附近，光程长为28.8m的Chernin型光学多通池中的一氧化碳和二氧化碳的吸收光谱，并利用Allan方差分析了系统的性能。结果表明，系统的探测灵敏度可达6.064ppm，此外，利用该系统实现了的大气中一氧化碳与二氧化碳的浓度的同时探测，得到大气中的二氧化碳浓度为244ppm。

关键词：二氧化碳;一氧化碳;波长调制;Chernin型光学多通池

中图分类号：O648.18      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）09-0008-03

0  引  言

随着全球工业化进程的加快，大量矿质以及石化燃料的不完全燃烧，大气中一氧化碳（CO）以及二氧化碳（CO2）气体含量明显增高，温室效应逐年加剧，其中CO2是地球大气中最重要的温室影响气体之一。近年来，CO2含量猛增，导致全球气候变暖、冰川融化、海平面上升，另外CO作为不完全燃烧的产物，会严重危害人类的身体健康，对其排放标准的要求也越来越严格。全球气候变化和生态环境问题已经成为世界各地人们关注的焦点，直接威胁人类的健康生存、动植物的生长，甚至影响着整个生态的平衡发展[1，2]。由此可见，实现CO2和CO的快速高灵敏度的测量成为国内外重要的研究方向。

可调谐二极管激光吸收光谱技术（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）是将光谱调制技术和长程吸收技术相结合，具有探测灵敏度高、精度高、响应速度快、监测范围广、实时在线、非侵入性、不需要对气体进行预处理等优点[3，4]。这种方法可以对污染气体进行定量或者定性分析，已经被广泛用于大气污染物的浓度测量[4-8]。

本文介绍了以可调谐二极管激光器（中心波长1.571μm）作为光源，利用波长调制技术以及Chernin[9-12]型光学多通池（由五个凹面反射镜组成，长为1.2m，曲率半径均为1.5m，采用近共焦的形式进行放置）使其反射次数足够多，增加其有效的光程，在一次扫描中同时覆盖CO和CO2分子的吸收线，对二者进行同时测量的实验研究。

2  实验装置

实验装置如图1所示，实验过程中使用中心波长为1.571μm的DFB激光器作为光源，该类型激光器具有可调谐、单色性好、坚固紧凑、体积微小、使用方便等特点。将正弦波和频率为1Hz的三角波叠加后共同驱动激光器进行波长扫描。正弦波由其中的一台锁相放大器产生，该信号作为参考信号同时被送入到另一台锁相放大器中。经过Chernin型光学多通池23次（光程为28.8m）反射的气体吸收后的透射光由焦距为50mm的会聚透镜聚焦到光电探测器上，探测器接收后分成两路，分别送入两台锁相放大器中，一台在与参考信号同频率处对信号进行解调，得到一次谐波信号，另一台在二倍参考频率处解调信号，得到二次谐波信号。输出的电信号经数据采集卡由计算机进行采集、存储，并用于进一步的分析处理。

利用这一关系，可以有效地消除电流调谐的非线性效应，但是对谱线的吸收线型不会产生影响，其中黑色的点为实验中所测得的数据，红线为拟合的曲线，蓝色、黑色、绿色的线分别为CO2、CO以及水在HITRAN数据库中模拟得到的吸收，中心波长为1.571μm的DFB激光器可以完全扫描覆盖实验中所测得的CO和CO2。

调制光谱可以调节调制振幅和频率等参数减小可能在直接吸收光谱（Direct absorption spectroscopy，DAS）中出现的光学噪声，比DAS有一定优势。实验过程中，函数发生器（DG1000Z RIGOL）提供的三角波频率为1Hz，通过调节锁相放大器（Revision38200 Zurich Instruments）所提供的正弦波的频率、相位、振幅来优化二次谐波信号，抑制激光噪声，最后选择调制频率为18kHz，相位为85.143。

本实验中，首先将Chernin型光学多通池抽至10-2Pa的极低压力，用纯度为99.999%的氮气对其润洗—抽至真空—再次润洗，多次重复用以去除吸收池内的杂质气体。然后再次抽成极低压力，将CO和CO2以及高纯度的氮气分别先后通入Chernin型光学多通池中，静置一段时间等待其混合均匀，使用电脑配合软件程序进行多次采集一次谐波与二次谐波信号。在室温下，记录不同浓度的气体的吸收光谱，每次实验数据采集完毕之后，再次进行新的实验，均需要重复上述清洗步骤才能进行下一组实验。

4  实验结果与分析

在Chernin型光学多通池中测得常温常压下、不同浓度的CO以及CO2的二次谐波信号，实验结果如图3所示，从图中可以发现其不同浓度下的信号峰值有较好的线性关系，提取其峰值分别进行线性拟合，得出图4，可以得到CO浓度和二次谐波的线性方程为：

YCO=0.00139+0.003X

CO2的线性方程为：

YCO2=0.00241+0.0015X

然后用Chernin型光學多通池采集空气中的CO以及CO2的二次谐波，经过Origin软件处理数据得到空气中的CO以及CO2的二次谐波图，从图中可以看出CO2的二次谐波相当明显，通过计算可以得到大气中CO2的浓度大约为：244ppm。由于空气中的CO浓度相对来说太小，导致我们无法探测到CO，如图3所示。

系统的稳定性影响系统的灵敏度。理想稳定系统的信号理论上可以无限次平均，从而可以达到极高的灵敏度。但实际上系统仅仅是在一定的时间范围内保持稳定。为了评估测量系统的长时间稳定性，实验中在控制压强和温度不变的情况下，进行了连续五个小时的检测，系统的整体性能可以用Allan方差来描述，实验所得到的Allan方差如图5所示，得到该系统的探测灵敏度为6.064ppm。

4  结  论

实验中建立了一套基于Chernin型光学多通池的TDLAS系统，有效吸收光程可达28.8m。Chernin型光学多通池具有镜面利用率高、加工成本低、结构紧凑的优点，可以实现小体积长光程，在气体探测领域有广泛的应用。本实验使用1.571μm的DFB二极管激光器作为光源，采用波长调制结合长程吸收方法，对CO和CO2分子进行了同时探测，系统的探测灵敏度为6.064ppm，并将该系统应用于实际大气中CO和CO2的同时探测，达到了实验预期结果。

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作者简介：陈亚歌（1997-），女，汉族，河南商丘人，本科，研究方向：激光光谱学;通讯作者：蔡廷栋（1982-），男，汉族，山东临沂人，教授，博士，研究方向：高灵敏度吸收光谱技术及应用、精密激光光谱、高性能气体光学传感技术及应用。