基于TDLAS技術(shù)適用于大量程范圍的氣體濃度標(biāo)定算法

鞠 昱，陳 昊，韓 立，常 洋，張學(xué)健

1. 北京航天易聯(lián)科技發(fā)展有限公司，北京 100176 2. 中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京 100190 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

引 言

氣體濃度檢測(cè)一直是十分重要的工作，它與人類生活、環(huán)境變化和工業(yè)生產(chǎn)都息息相關(guān)，尤其是有毒有害氣體的檢測(cè)[1-2]。 近年來(lái)隨著光譜技術(shù)的大力發(fā)展，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光光譜技術(shù)(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)已逐漸發(fā)展成熟，它具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及優(yōu)秀的便攜性等優(yōu)點(diǎn)，成為了氣體檢測(cè)的重要技術(shù)之一[3-5]。

標(biāo)定是各類氣體傳感器出廠前必須要進(jìn)行的一道工序，標(biāo)定結(jié)果的好壞直接關(guān)系到傳感器的最終測(cè)量精度[6]。 基于TDLAS技術(shù)的直接吸收光譜標(biāo)定算法主要是利用特定波長(zhǎng)的激光穿過氣體樣品后，測(cè)量光強(qiáng)的透射率對(duì)數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)濃度進(jìn)行擬合，將實(shí)測(cè)的透射率對(duì)數(shù)代入擬合關(guān)系式來(lái)計(jì)算當(dāng)前環(huán)境下的氣體濃度[7-8]。 根據(jù)Beer-Lambert定律可知，氣體濃度與透射率對(duì)數(shù)是一次函數(shù)關(guān)系，標(biāo)定時(shí)通常會(huì)采用一次函數(shù)進(jìn)行擬合，但這種情況忽略了氣體濃度對(duì)吸收系數(shù)的影響，尤其在氣體濃度較高時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致氣體濃度與透射率對(duì)數(shù)的關(guān)系不是嚴(yán)格的一次函數(shù)關(guān)系，原有的標(biāo)定算法會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重誤差，影響測(cè)量精度。

本工作對(duì)TDLAS的直接吸收光譜標(biāo)定算法進(jìn)行研究，考慮了氣體濃度對(duì)吸收系數(shù)的影響，推導(dǎo)了完整的氣體濃度與透射率對(duì)數(shù)的關(guān)系式，提出了采用氣體濃度倒數(shù)與透射率對(duì)數(shù)倒數(shù)的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合標(biāo)定的算法；……