光譜吸收法測定氣體中的CO2含量

浮 燕，郭 力，楊士釗

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

光譜吸收法測定氣體中的CO2含量

浮 燕1，郭 力2，楊士釗2

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

光譜吸收式光纖氣體檢測技術的基本原理，采用CO2檢測系統進行實驗研究，建立了光強與電壓幅值之間的關系曲線，對氣體中的CO2濃度進行檢測。結果表明，該方法對0～1%的CO2濃度具有很好的敏感性和準確性，為提高光譜吸收式檢測系統的精度，拓展其實際應用打下良好基礎。

光譜吸收法；CO2含量；檢測技術

1 前言

光纖氣體傳感器具有靈敏度高、動態范圍大、精度高、本質安全等特點，還具有體積小、易于復合及遠程測量等優點，近年來光纖氣體傳感器檢測技術越來越受到國內外關注，已經廣泛應用于環境污染檢測，也可對礦井中危險氣體、工業防燃防爆區等高危環境進行氣體監測[1-3]。該技術不僅可以解決一些特定環境中的危險氣體的長期安全監測的技術難題，對于環境保護、國防（如防生化武器）以及水下作業的有害氣體的探測等也都具有實際的應用價值[4，5]。

本文介紹了基于光譜吸收法光纖氣體傳感器的CO2濃度檢測技術，當光通過氣體后，CO2吸收譜線處光強就會發生衰減，進而影響檢測系統中電壓變化，通過建立CO2濃度與電壓變化之間的關系曲線，進而精確測定氣體中的CO2含量。

2 實驗方法

2.1 實驗原理

光譜吸收式光纖傳感技術具有測量靈敏度高，氣體鑒別能力好，響應速度快，耐高溫及潮濕能力強，氣體傳感探頭（氣體吸收盒）簡單可靠，以及易于形成網絡等優點，是目前最有前途的一種氣體傳感技術[6，7]。其主要原理是當光通過氣體后，在其吸收譜線處光強就會發生衰減，根據Lambert-Beer定律輸出光強度I，輸入光強度I0和氣體濃度的關系為[8]：

其中a為摩爾分子吸收系數，C代表氣體濃度，L為傳感長度，通過化簡可得CO2濃度。

通過實驗驗證，CO2在4.2μm處吸收系數較大，因而選擇4.2 μm這一吸收波段的光強衰減作為空氣CO2濃度測定的依據。

2.2 實驗裝置

CO2檢測系統以氣瓶、流量計、螺線管組成配氣系統，流量計控制CO2及N2兩種氣體流量，以配制不同CO2濃度氣體，螺線管使通氣路徑高低循環，氣體均勻地混合。光源、氣室、濾光片、探測器組成CO2檢測系統主體，檢測系統如圖1 所示。

光源發出覆蓋4.2μm波段的光，并經透鏡準直后光進入氣室，與含有CO2的待測氣體接觸并產生吸收，然后由透鏡聚焦、濾光片濾除4.2μm波段以外的光，最后用紅外探測器檢測光強。由于紅外探測器選擇熱釋電型，針對其使用特點，將光源輸出光調制成0.5Hz方波，這樣熱釋電紅外探測器輸出為類似正弦型波，其電壓幅值Vpp與光強I成正比。實際測量中通過配氣、標定的方法得到靈敏度K。

圖1 CO2檢測系統

設Vpp0為CO2濃度為零時的輸出電壓幅值，Vpp為在被測氣體環境中的輸出電壓幅值。由于光強與電壓幅值成正比。

將上述公式合并，可得到CO2濃度C為：

3 結果分析

對CO2檢測系統進行重復性測試，分別測試CO2濃度為0、5%時的輸出電壓幅值。實驗過程中首先充N2足夠長時間，用示波器觀測電壓幅值，重復做10次。充5%CO2足夠長時間，用示波器觀測電壓幅值，重復做10次。這兩種氣體均直接從氣罐輸出，相對用流量計配出的氣體，濃度更確定、穩定，實驗測試數據如表1 所示。

表1 CO2檢測系統重復性實驗結果

分別對表1中不同CO2濃度下的實驗數據的相對標準偏差進行分析，計算得出，在0、5%的二氧化碳濃度下的相對標準偏差為0.583%、0.585%，實驗結果重復性好。為了進一步檢測不同濃度下CO2濃度的檢測精確度，用流量計配制濃度為0～5%CO2氣體，并分別用示波器觀測系統輸出電壓幅值，并計算K值，實驗結果如表2所示。

為了分析CO2濃度與K值之間的關系，對實驗結果進行作圖分析，分析結果如圖2 所示。

從圖2可以看出，系統探測的強度變化在0～5%范圍不是線性，當氣體濃度在0～1%范圍內，其靈敏度較高。由于探測光強的變化是濾光片高斯帶寬與吸收譜的卷積結果，當氣體濃度較高時，其卷積面積相對變化變小，靈敏度變小，所以這種測試系統在微量氣體濃度測量時精度較高。因此，對靈敏度高的CO2濃度在0～1%范圍的數據做線性擬合，擬合結果如圖3所示。

表2 不同CO2濃度的測試結果

圖2 CO2濃度與K值的變化規律

圖3 CO2濃度為0～1%的擬合結果

從圖3可以得出，在CO2濃度為0～1%時，線性擬合相關系數R為0.956 7，線性相關性較好。為了進一步提高測量精確度，從圖中可以看出，當CO2濃度為0.5%時，K值的變化率發生變化，因此，以0.5%的CO2濃度為分界點，分別對0%～0.5%和0.5%～1%進行分段擬合，擬合結果如圖4、圖5所示。

圖4 CO2濃度為0～0.5%的擬合結果

圖5 CO2濃度為0.5～1%的擬合結果

從擬合結果可以得出，CO2濃度在0～0.5%和0.5%～1%中的線性相關系數分別為0.988 7和0.995 4，比單獨在0～1%中的擬合相關系數高，光譜吸收式光纖傳感器對于低濃度的CO2的檢測效果好，能夠實現氣體中CO2的濃度檢測。

4 結束語

根據光譜吸收式光釬傳感器技術，采用光譜吸收式CO2檢測系統，建立了光衰減強度與CO2濃度之間的關系曲線，可以實現氣體中CO2濃度的測定，為解決一些特定環境中的危險氣體的長期安全監測的技術難題打下了良好的基礎。

[1] 朱平，劉光達，田磊，等.光纖瓦斯氣體檢測中鎖相放大器的設計應用[J].儀表技術與傳感器，2007，3：49-51.

[2] Murray B J，Broadley S L，Morris G J.Supercooling of Water Droplets in Aviation Jet Fuel[J].Fuel，2011，90：433-435.

[3] 常新龍，李明，李進軍，等.濕度和溫度對聚合物光纖光柵漂移量的影響[J].傳感技術學報，2009，6：32-35.

[4] 張岡，王軍，撒繼銘，等.基于光譜吸收的光纖氣體傳感器光源波長穩定控制技術[J].儀表技術與傳感器，2008，3：4-5.

[5] 張記龍，閆曉梅.用于瓦斯檢測的DFB激光器驅動與溫控系統研究[D].中北大學碩士論文，山西：中北大學，2007：1-2.

[6] 王艷菊，王玉田，張玉燕.差分吸收式甲烷氣體傳感系統的研究[J].儀器儀表學報，2006，27（12）：1647-1650.

[7] 王立新，張愛軍，張宇，等.光譜吸收型光纖氣體傳感器的研究[J].傳感器技術，2005，24（1）：12-13.

[8] 武婧.吸收型光纖氣體傳感器氣室設計概況[J].中國高新技術，2009，122（11）：18-19.

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，主要研究方向為航空保障裝備檢測與技術研究。