光譜吸收法測(cè)定氣體中的CO2含量

浮 燕，郭 力，楊士釗

（1.空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系，江蘇徐州 221000；2.空軍勤務(wù)學(xué)院航空油料物資系，江蘇徐州 221000）

光譜吸收法測(cè)定氣體中的CO2含量

浮 燕1，郭 力2，楊士釗2

（1.空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系，江蘇徐州 221000；2.空軍勤務(wù)學(xué)院航空油料物資系，江蘇徐州 221000）

光譜吸收式光纖氣體檢測(cè)技術(shù)的基本原理，采用CO2檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，建立了光強(qiáng)與電壓幅值之間的關(guān)系曲線(xiàn)，對(duì)氣體中的CO2濃度進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明，該方法對(duì)0～1%的CO2濃度具有很好的敏感性和準(zhǔn)確性，為提高光譜吸收式檢測(cè)系統(tǒng)的精度，拓展其實(shí)際應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。

光譜吸收法；CO2含量；檢測(cè)技術(shù)

1 前言

光纖氣體傳感器具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、精度高、本質(zhì)安全等特點(diǎn)，還具有體積小、易于復(fù)合及遠(yuǎn)程測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)光纖氣體傳感器檢測(cè)技術(shù)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外關(guān)注，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染檢測(cè)，也可對(duì)礦井中危險(xiǎn)氣體、工業(yè)防燃防爆區(qū)等高危環(huán)境進(jìn)行氣體監(jiān)測(cè)[1-3]。該技術(shù)不僅可以解決一些特定環(huán)境中的危險(xiǎn)氣體的長(zhǎng)期安全監(jiān)測(cè)的技術(shù)難題，對(duì)于環(huán)境保護(hù)、國(guó)防（如防生化武器）以及水下作業(yè)的有害氣體的探測(cè)等也都具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值[4，5]。

本文介紹了基于光譜吸收法光纖氣體傳感器的CO2濃度檢測(cè)技術(shù)，當(dāng)光通過(guò)氣體后，CO2吸收譜線(xiàn)處光強(qiáng)就會(huì)發(fā)生衰減，進(jìn)而影響檢測(cè)系統(tǒng)中電壓變化，通過(guò)建立CO2濃度與電壓變化之間的關(guān)系曲線(xiàn)，進(jìn)而精確測(cè)定氣體中的CO2含量。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

光譜吸收式光纖傳感技術(shù)具有測(cè)量靈敏度高，氣體鑒別能力好，響應(yīng)速度快，耐高溫及潮濕能力強(qiáng)，氣體傳感探頭（氣體吸收盒）簡(jiǎn)單可靠，以及易于形成網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，是目前最有前途的一種氣體傳感技術(shù)[6，7]。其主要原理是當(dāng)光通過(guò)氣體后，在其吸收譜線(xiàn)處光強(qiáng)就會(huì)發(fā)生衰減，根據(jù)Lambert-Beer定律輸出光強(qiáng)度I，輸入光強(qiáng)度I0和氣體濃度的關(guān)系為[8]：

其中a為摩爾分子吸收系數(shù)，C代表氣體濃度，L為傳感長(zhǎng)度，通過(guò)化簡(jiǎn)可得CO2濃度。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，CO2在4.2μm處吸收系數(shù)較大，因而選擇4.2 μm這一吸收波段的光強(qiáng)衰減作為空氣CO2濃度測(cè)定的依據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

CO2檢測(cè)系統(tǒng)以氣瓶、流量計(jì)、螺線(xiàn)管組成配氣系統(tǒng)，流量計(jì)控制CO2及N2兩種氣體流量，以配制不同CO2濃度氣體，螺線(xiàn)管使通氣路徑高低循環(huán)，氣體均勻地混合。光源、氣室、濾光片、探測(cè)器組成CO2檢測(cè)系統(tǒng)主體，檢測(cè)系統(tǒng)如圖1 所示。

光源發(fā)出覆蓋4.2μm波段的光，并經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后光進(jìn)入氣室，與含有CO2的待測(cè)氣體接觸并產(chǎn)生吸收，然后由透鏡聚焦、濾光片濾除4.2μm波段以外的光，最后用紅外探測(cè)器檢測(cè)光強(qiáng)。由于紅外探測(cè)器選擇熱釋電型，針對(duì)其使用特點(diǎn)，將光源輸出光調(diào)制成0.5Hz方波，這樣熱釋電紅外探測(cè)器輸出為類(lèi)似正弦型波，其電壓幅值Vpp與光強(qiáng)I成正比。實(shí)際測(cè)量中通過(guò)配氣、標(biāo)定的方法得到靈敏度K。

圖1 CO2檢測(cè)系統(tǒng)

設(shè)Vpp0為CO2濃度為零時(shí)的輸出電壓幅值，Vpp為在被測(cè)氣體環(huán)境中的輸出電壓幅值。由于光強(qiáng)與電壓幅值成正比。

將上述公式合并，可得到CO2濃度C為：

3 結(jié)果分析

對(duì)CO2檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，分別測(cè)試CO2濃度為0、5%時(shí)的輸出電壓幅值。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中首先充N(xiāo)2足夠長(zhǎng)時(shí)間，用示波器觀測(cè)電壓幅值，重復(fù)做10次。充5%CO2足夠長(zhǎng)時(shí)間，用示波器觀測(cè)電壓幅值，重復(fù)做10次。這兩種氣體均直接從氣罐輸出，相對(duì)用流量計(jì)配出的氣體，濃度更確定、穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 CO2檢測(cè)系統(tǒng)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別對(duì)表1中不同CO2濃度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行分析，計(jì)算得出，在0、5%的二氧化碳濃度下的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.583%、0.585%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性好。為了進(jìn)一步檢測(cè)不同濃度下CO2濃度的檢測(cè)精確度，用流量計(jì)配制濃度為0～5%CO2氣體，并分別用示波器觀測(cè)系統(tǒng)輸出電壓幅值，并計(jì)算K值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

為了分析CO2濃度與K值之間的關(guān)系，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行作圖分析，分析結(jié)果如圖2 所示。

從圖2可以看出，系統(tǒng)探測(cè)的強(qiáng)度變化在0～5%范圍不是線(xiàn)性，當(dāng)氣體濃度在0～1%范圍內(nèi)，其靈敏度較高。由于探測(cè)光強(qiáng)的變化是濾光片高斯帶寬與吸收譜的卷積結(jié)果，當(dāng)氣體濃度較高時(shí)，其卷積面積相對(duì)變化變小，靈敏度變小，所以這種測(cè)試系統(tǒng)在微量氣體濃度測(cè)量時(shí)精度較高。因此，對(duì)靈敏度高的CO2濃度在0～1%范圍的數(shù)據(jù)做線(xiàn)性擬合，擬合結(jié)果如圖3所示。

表2 不同CO2濃度的測(cè)試結(jié)果

圖2 CO2濃度與K值的變化規(guī)律

圖3 CO2濃度為0～1%的擬合結(jié)果

從圖3可以得出，在CO2濃度為0～1%時(shí)，線(xiàn)性擬合相關(guān)系數(shù)R為0.956 7，線(xiàn)性相關(guān)性較好。為了進(jìn)一步提高測(cè)量精確度，從圖中可以看出，當(dāng)CO2濃度為0.5%時(shí)，K值的變化率發(fā)生變化，因此，以0.5%的CO2濃度為分界點(diǎn)，分別對(duì)0%～0.5%和0.5%～1%進(jìn)行分段擬合，擬合結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 CO2濃度為0～0.5%的擬合結(jié)果

圖5 CO2濃度為0.5～1%的擬合結(jié)果

從擬合結(jié)果可以得出，CO2濃度在0～0.5%和0.5%～1%中的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)分別為0.988 7和0.995 4，比單獨(dú)在0～1%中的擬合相關(guān)系數(shù)高，光譜吸收式光纖傳感器對(duì)于低濃度的CO2的檢測(cè)效果好，能夠?qū)崿F(xiàn)氣體中CO2的濃度檢測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)光譜吸收式光釬傳感器技術(shù)，采用光譜吸收式CO2檢測(cè)系統(tǒng)，建立了光衰減強(qiáng)度與CO2濃度之間的關(guān)系曲線(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)氣體中CO2濃度的測(cè)定，為解決一些特定環(huán)境中的危險(xiǎn)氣體的長(zhǎng)期安全監(jiān)測(cè)的技術(shù)難題打下了良好的基礎(chǔ)。

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Study on Determination of CO2Content With Absorption Spectroscopy

Fu Yan，Guo Li，Yang Shi-zhao

The basic principle for determination of absorption spectrum detection technology was introduced in this paper.CO2detection system was used to experimental research.CO2content was measured by the relation curve between light intensity and voltage amplitude.The results showed that detection system of CO2content was applied in the range of 0%～1%.It laid a good foundation for the practical application and improving the optical absorption spectrum of the gas detection system accuracy.

spectrum absorption；CO2detection；detection technology

O657.31

A

1003–6490（2016）10–0077–02

2016–10–18

浮燕（1972—），女，河南獲嘉人，講師，主要研究方向?yàn)楹娇毡Ｕ涎b備檢測(cè)與技術(shù)研究。