用于大氣二氧化碳探空儀的非分光光源的初步研究

萬 飛，黃 見，馮 林

(1.武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430074;2.安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所中國科學(xué)院大氣成分與光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230031;3.安徽省氣象局大氣探測(cè)中心，安徽合肥 230031)

研究背景

大氣二氧化碳是大氣中最重要的溫室氣體之一，其來源有天然和人為兩個(gè)來源。天然源主要包括海洋脫氣，動(dòng)植物呼吸、腐敗作用和生物質(zhì)燃燒，以及甲烷的轉(zhuǎn)化。大氣二氧化碳主要的人工源是礦物燃料燃燒和人類的工業(yè)活動(dòng)。大氣二氧化碳的溫室效應(yīng)，在全球碳循環(huán)研究和氣候變化預(yù)測(cè)中不可或缺［1］。地球表面及其生物圈是大氣二氧化碳重要的源與匯。大氣二氧化碳的含量，特別是在混合層內(nèi)，與地球表面及其生物圈關(guān)系非常密切。但是，由于探測(cè)手段少和數(shù)據(jù)少等原因，至今大氣CO2垂直分布及其變化的許多特征還不是非常清楚。

探空儀具有很高的垂直分辨率和探測(cè)精度，是大氣研究與環(huán)境監(jiān)測(cè)的有力工具。二氧化碳?xì)怏w在4.26μm波段有一個(gè)非常強(qiáng)的吸收區(qū)［2］，可以用這個(gè)波段的非分光光源來測(cè)量大氣中的二氧化碳含量。本文主要研究可用于大氣二氧化碳探空儀的非分光光源技術(shù)。

1 二氧化碳的非分光測(cè)量方法

非分光紅外法一般采用寬帶光源，經(jīng)過氣室后用兩個(gè)不同波長的濾波片進(jìn)行濾光，得到波長鄰近的λ1和λ2波長的兩個(gè)光輻射，其中λ1在CO2氣體吸收峰上，而CO2氣體對(duì)λ2不吸收 (或非常弱);這里λ1的光輻射作為檢測(cè)信號(hào)，波長λ2的光輻射作為參考信號(hào)。

圖1 非分光紅外法原理框圖Fig.1 Block diagram of a non-dispersive infrared method

如圖1所示，光源發(fā)出的光經(jīng)過氣室到達(dá)分束器，分束器將光束分成兩束，然后分別通過中心波長為λ1和λ2的干涉濾光片，照射在相應(yīng)的探測(cè)器上，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。設(shè)中心波長為λ1和λ2的光進(jìn)入氣室前的光強(qiáng)分別為I10和I20，經(jīng)過氣室后的光強(qiáng)分別為I1和I2，與分光紅外法類似，有如下公式:

A為吸光度，T為透射比，是投射光強(qiáng)度比上入射光強(qiáng)度 ，c為吸光物質(zhì)的濃度，b為吸收層厚度。

式中，K為光路的結(jié)構(gòu)系數(shù)，D1、D2是探測(cè)器1和探測(cè)器2的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，N是待測(cè)氣體的分子數(shù)密度。根據(jù)上面兩式，可以得出待測(cè)氣體的分子數(shù)密度:

其中，λ1≈λ2，選擇一個(gè)雙通道探測(cè)器芯片，芯片上集成中心波長λ1和λ2的濾光片，也就是說一塊芯片上集成了兩路探測(cè)器和相應(yīng)的前置濾光片，這兩個(gè)探測(cè)器的溫度特性基本一致，使測(cè)量結(jié)果受環(huán)境因素影響較小。

采用非分光紅外法，選擇了4.26μm的CO2強(qiáng)吸收區(qū)作為測(cè)量波段，以及3.91μm的CO2不吸收區(qū)作為參考波段。根據(jù)式 (1)，通過寬帶紅外光源發(fā)出的4.26μm和3.91μm的紅外線經(jīng)過氣室后的光強(qiáng)之比，反演出二氧化碳?xì)怏w的濃度。

2 非分光光源

2.1 光源的工作原理

電調(diào)制MEMS紅外光源一般采用熱激發(fā)的工作方式，通過發(fā)熱電阻的電熱效應(yīng)獲得高溫輻射體，使其對(duì)外輻射能量，輻射類似于黑體輻射。一個(gè)性能良好的輻射源要求在較高的輻射度的情況下有較高的輻射效率，從而降低能量損耗;并且要求短的響應(yīng)時(shí)間和在截止調(diào)制頻率下有較大的調(diào)制深度。黑體的輻射出射度遵循普朗克公式:

其中，k為玻爾茲曼常數(shù)，h為普朗克常數(shù)，T為黑體溫度，λ為波長，c為光速，M為黑體的輻射出射度。

2.2 光源芯片的選擇

CO2的吸收峰在4.26μm處，這里我們選用瑞士LEISTER公司生產(chǎn)的HSL EMIRS200型號(hào)的紅外光源。該紅外光源是一種多用途的熱紅外光源，發(fā)射光譜范圍為2～16μm，可以用變化的輸入電信號(hào)直接調(diào)制。

根據(jù)熱輻射定律，當(dāng)物體處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，吸收率等于發(fā)射率。這就意味著吸收率越高，發(fā)射率也就越高。這款EMIRS200型紅外光源表現(xiàn)出特別好的黑體特性，在不同電調(diào)制功率下使用傅里葉紅外光譜儀測(cè)量得到的發(fā)射光譜如圖1所示，測(cè)量得到的曲線 (黑色)很好地接近普朗克分布 (圖中的紅色曲線)，表明該光譜與熱黑體的發(fā)光譜具有非常好的一致性。EMIRS200型紅外光源封裝了一個(gè)反射片，以使發(fā)出的紅外線的發(fā)散角減小。

圖2 EMIRS200型紅外光源在不同溫度時(shí)的輸出光譜Fig.2 EMIRS 200 infrared light output spectra at different temperatures

3.3 脈沖調(diào)制電路

由于紅外探測(cè)器只對(duì)紅外輻射的變化有反應(yīng)，需要對(duì)紅外光源進(jìn)行調(diào)制，使其按一定頻率在發(fā)光和不發(fā)光兩個(gè)狀態(tài)切換。MSP430單片機(jī)既可以作為恒壓源對(duì)外供電，又可以通過定時(shí)器輸出一定頻率的電壓脈沖，其輸出電壓幅值均為3.3V;然而光源工作電壓的典型值為5.7V，所以為了產(chǎn)生一個(gè)符合光源工作電壓幅值的脈沖，在設(shè)計(jì)上選用LM317芯片。

LM317的輸出電壓范圍是1.2V～37V，負(fù)載電流最大為1.5A。它的使用非常簡單，僅需兩個(gè)外接電阻來設(shè)置輸出電壓。此外它的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。

所設(shè)計(jì)的脈沖調(diào)制電路如圖3所示，LM317芯片的輸入端是MSP430單片機(jī)提供的3.3V的恒壓源，輸出端的幅值為V2=1.25(R1/R2)，比如可以取紅外光源的典型值5.7V，然而V2為直流恒壓，為了獲得脈沖信號(hào)，在J2處接入定時(shí)器輸出的頻率可以設(shè)置的電壓脈沖，幅值為3.3V;通過限流電阻R4接到三極管Q1的基極，那么在J3的1，2兩端之間的電壓就可以實(shí)現(xiàn)所期望的電壓幅值 (比如光源工作的典型值5.7V)和頻率。

3 初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用該光源，我們研制了一個(gè)測(cè)量CO2的實(shí)驗(yàn)裝置［2－3］，該實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)氣口與 EC9810型 CO2分析儀的采氣口放在同一位置，進(jìn)行同步對(duì)比觀測(cè)。從探測(cè)器的兩通道可以獲得表征I1和I2的數(shù)字量。測(cè)量通道和參考通道AD轉(zhuǎn)換后的UCO2和Uref分別用I1和I2來表示。2012年3月7日16點(diǎn)到3月8日16點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并計(jì)算出EC9810型分析儀測(cè)得的CO2濃度與A隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖4所示，該圖反映出二氧化碳濃度與A具有較好的一致性。

圖4 CO2濃度與A隨時(shí)間的變化圖Fig.4 A Change in CO2comcentration versus time diagram

圖5 CO2濃度與－ln(I1/I2)的線性擬合Fig.5 CO2concentration and-ln(I1/I2)of the linear fit

通過線性擬合 (圖5)，可以得到關(guān)系式

與關(guān)系式 (4)進(jìn)行比較，可認(rèn)為

在得出定標(biāo)公式之后，2012年3月9日18:00到3月10日18:00進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，利用標(biāo)定的關(guān)系式得到CO2的濃度，再與澳大利亞ECOTECH公司的EC9810型CO2分析儀測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(圖6)。以EC9810型CO2分析儀的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，該實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)量誤差如圖7所示，誤差范圍在－10ppm～10ppm，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，其在24小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差為3.76ppm，表明該實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)有了較高的測(cè)量精度。我們還在2012年9月9日到9月22日進(jìn)行了14天的連續(xù)驗(yàn)證，如圖8所示，說明該LED光源已具備測(cè)量大氣二氧化碳的應(yīng)用前景。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置與EC9810型CO2分析儀的對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.6 Comparison of experimental data with EC 9810 experimental device type CO2analyzer

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)量相對(duì)誤差Fig.7 The experimental device measuring the relative error

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置與Li7500二氧化碳分析儀的觀測(cè)對(duì)比和驗(yàn)證Fig.8 The experimental device and Li 7500 carbon dioxide analyzer observations comparison and verification

4 小結(jié)

利用集成熱輻射源可以將光源的體積和重量減少，有利于氣球探空。我們?cè)O(shè)計(jì)了脈沖調(diào)制電路，并試制了光源，將光源用于二氧化碳的測(cè)量，初步測(cè)量結(jié)果與二氧化碳分析儀進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明，我們?cè)囇兄频墓庠淳哂杏糜跉馇蛱娇盏臐摿Α?/p>

［1］吳兌.溫室氣體與溫室效應(yīng) ［M］.氣象出版社，2003:1-23.

［2］饒瑞中.現(xiàn)代大氣光學(xué)［M］.科學(xué)出版社，2012:135-144.

［3］馮林，胡順星，黃見，等.一種新的CO2探空測(cè)量方法 ［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2012，49，100103.

［4］黃見，胡順星，馮林，等.基于MSP430F149單片機(jī)的大氣環(huán)境CO2探測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2013，7:32-34.