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

1、近年來(lái)全球大氣污染問(wèn)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(duì)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(duì)氣象觀測(cè)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(cè)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(zhǎng)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(diǎn)，WMS進(jìn)一步提高檢測(cè)頻率來(lái)減小低頻噪聲，結(jié)合日趨成熟的量子級(jí)聯(lián)激光器(Quantum Cascade Laser，QCL)，可以拓寬光譜范圍實(shí)現(xiàn)待測(cè)氣體分子強(qiáng)吸收譜線的測(cè)量，極大地提高氣體濃度測(cè)量下限，滿足環(huán)境大氣測(cè)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(jì)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(hào)，定量地分析了H2O及CO2對(duì)目標(biāo)氣體的影響。大氣中H2O及CO2短期濃度波動(dòng)對(duì)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(duì)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(cè)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(jì)中，針對(duì)中紅外QCL驅(qū)動(dòng)電流大，溫控精度高，發(fā)熱量大等特點(diǎn)研制了小型化的驅(qū)動(dòng)電路。其中電流源的精度為0.18mA，溫控精度為0.0

4、01℃，二級(jí)制冷控溫精度為0.15℃，結(jié)合溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(jì)中，利用二向色鏡耦合實(shí)現(xiàn)了中紅外多波長(zhǎng)光束的同軸合束，設(shè)計(jì)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(guò)程引入的測(cè)量偏差。濃度反演軟件基于Labview編譯環(huán)境，包含分時(shí)信號(hào)產(chǎn)生、數(shù)字鎖相、信號(hào)歸一化、背景扣除等功能，可實(shí)時(shí)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(dòng)式NOx、NH3高靈

5、敏度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了NO、NO2及NH3連續(xù)、快速、高精度監(jiān)測(cè)。
　　本文從最低檢測(cè)能力與長(zhǎng)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(cè)試。系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化部分測(cè)量了三條譜線處QCL的調(diào)諧特性，結(jié)合實(shí)際測(cè)量條件優(yōu)化了波長(zhǎng)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(shí)間為1s時(shí)，三種氣體檢測(cè)限均小于1ppb，當(dāng)積分時(shí)間達(dá)100s附近時(shí)，三種氣體檢測(cè)限均小

6、于0.2ppb，同時(shí)針對(duì)QCL波長(zhǎng)長(zhǎng)期漂移問(wèn)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(lái)優(yōu)化系統(tǒng)波長(zhǎng)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了24小時(shí)內(nèi)三支QCL的波長(zhǎng)漂移小于0.01cm-1。進(jìn)行的系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試表明三種氣體24小時(shí)內(nèi)的零點(diǎn)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(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)符合環(huán)境大氣NOX及NH3的檢測(cè)需求。
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