基于中紅外波長調(diào)制光譜技術(shù)的NOx-NH3高靈敏檢測方法研究.pdf

1、近年來全球大氣污染問題日益嚴(yán)峻，大氣中的NOX及NH3是二次細(xì)顆粒物的主要前體物，對霧霾的形成具有重要作用。NOX及NH3是空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)，其精確的源匯變化與空間分布數(shù)據(jù)對氣象觀測及人類生產(chǎn)生活具有積極的指導(dǎo)作用。當(dāng)下，滿足大氣環(huán)境條件下NOX及NH3的精確快速的檢測技術(shù)仍然有待探索。本文深入研究了中紅外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光波長調(diào)制光譜(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)技術(shù)。WMS具有高選擇

2、，高分辨率及快速響應(yīng)等特點，WMS進(jìn)一步提高檢測頻率來減小低頻噪聲，結(jié)合日趨成熟的量子級聯(lián)激光器(Quantum Cascade Laser，QCL)，可以拓寬光譜范圍實現(xiàn)待測氣體分子強(qiáng)吸收譜線的測量，極大地提高氣體濃度測量下限，滿足環(huán)境大氣測量需求。
　　本文深入研究了NOX及NH3的中紅外波段吸收譜線，分別選取了NO、NO2及NH3位于1900.0cm-1、1600.0cm-1以及1103.4cm-1處的強(qiáng)吸收譜線。模擬計算了

3、大氣環(huán)境下選擇譜線處的吸收光譜和二次諧波信號，定量地分析了H2O及CO2對目標(biāo)氣體的影響。大氣中H2O及CO2短期濃度波動對目標(biāo)氣體吸收光譜影響較小，在此基礎(chǔ)上提出背景扣除法進(jìn)一步減小H2O及CO2對反演結(jié)果的影響。提出的溫度氣壓光譜修正方案，消除了不同測量環(huán)境下溫度氣壓變化造成的光譜反演誤差。電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中，針對中紅外QCL驅(qū)動電流大，溫控精度高，發(fā)熱量大等特點研制了小型化的驅(qū)動電路。其中電流源的精度為0.18mA，溫控精度為0.0

4、01℃，二級制冷控溫精度為0.15℃，結(jié)合溫度實時監(jiān)測，可保證QCL在復(fù)雜外部環(huán)境下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，利用二向色鏡耦合實現(xiàn)了中紅外多波長光束的同軸合束，設(shè)計的開放式多次反射池光程達(dá)60m，與抽取池相比，有效地避免了由進(jìn)氣采樣過程引入的測量偏差。濃度反演軟件基于Labview編譯環(huán)境，包含分時信號產(chǎn)生、數(shù)字鎖相、信號歸一化、背景扣除等功能，可實時顯示系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)和濃度反演結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，研制了一套移動式NOx、NH3高靈

5、敏度監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了NO、NO2及NH3連續(xù)、快速、高精度監(jiān)測。
　　本文從最低檢測能力與長期穩(wěn)定性兩方面優(yōu)化了系統(tǒng)性能，并進(jìn)行了系統(tǒng)的性能測試。系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化部分測量了三條譜線處QCL的調(diào)諧特性，結(jié)合實際測量條件優(yōu)化了波長調(diào)制光譜技術(shù)的調(diào)制參數(shù)，利用等效光程法進(jìn)行了系統(tǒng)標(biāo)定與Allan方差分析，三種氣體標(biāo)定曲線的線性度均高于0.996，當(dāng)積分時間為1s時，三種氣體檢測限均小于1ppb，當(dāng)積分時間達(dá)100s附近時，三種氣體檢測限均小

6、于0.2ppb，同時針對QCL波長長期漂移問題，采用激光器外殼精確控溫與電子學(xué)系統(tǒng)所處環(huán)境精確控溫相結(jié)合的方法來優(yōu)化系統(tǒng)波長穩(wěn)定性，實現(xiàn)了24小時內(nèi)三支QCL的波長漂移小于0.01cm-1。進(jìn)行的系統(tǒng)參數(shù)測試表明三種氣體24小時內(nèi)的零點漂移和量程漂移均小于±2.0％，示值誤差在±5.0％以內(nèi)，重復(fù)性誤差在±2.0％以內(nèi)，穩(wěn)定性誤差在±5.0％以內(nèi)，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)符合環(huán)境大氣NOX及NH3的檢測需求。
　　和Teledyne公司