利用可调谐半导体激光吸收光谱技术对气体浓度(4)

124 中 国 电 机 工 程 学 报 第25卷

光谱吸收率

吸收谱线技术，通过激光在整个单一谱线范围内进行扫描，得到光谱吸收率信号数据，然后根据式(3)，通过将这些数据进行线型函数拟合或直接积分运算，最后得到气体浓度。在进行运算的时候，激光扫描步长将直接影响计算结果。激光扫描时的步长越小，则扫描精度越高，在吸收谱线区域内采集到的数据点将会越多，对浓度测量越有利。

在图3所示的光谱吸收率图中，在6359.57cm 1

到6360.37cm 1的范围内采用不同的扫描步长进行浓度计算，观察计算浓度与实际模型中的气体浓度之间的相对误差的变化。由图4可知，当激光扫描步长较小时，计算得到的气体浓度与模型给定值之间的误差很小；随着步长的增大，误差逐渐增大。当扫描步长大于0.02cm 1后，浓度误差严重增加。

0.3 光谱吸收率

0.2 0.1 0 6359.90

6359.95 6360.00

波数/cm 1

6360.00

应用中应该根据实际要求选择合适的激光器。 3.2 温度和压强对于光谱吸收的影响

一定浓度成分的气体在不同的温度和压强条件下，所探测到的光谱吸收率是不同的。图5为模型在不同的温度和压强条件下光谱吸收率的变化曲线。

图5表明，模型在给定压强下，随着温度的升高，光谱吸收率是不断降低的。在温度较低的情况下光谱吸收率较大，比较适合于测量；而在温度不变的情况下，随着压强的增大，光谱吸收率是不断增大的，但增加的幅度不断减小。

0.40.30.21.0 0 0.02

0.06 压强/MPa

300 450

0.1 900

750

600

温度/K

注：空气和CO2的混合气，CO2浓度为10%，吸收路径长度为2000cm

注：空气和CO2的混合气，CO2浓度为10%，气体总压为0.01MPa，

温度为296K，吸收路径长度为2000cm

图5 CO2在6359.97cm 1处的 光谱吸收率随温度、压强变化曲线

Fig. 5 Spectral absorbance of CO2 transition at 6359.97cm 1as a function of temperature and pressure

图3 利用HITRAN数据库计算出的 CO2在6359.97cm 1处的光谱吸收率

Fig. 3 Calculated spectral absorbance of CO2 transition at

6359.97cm 1 from HITRAN database

180 浓度相对误差/% 140 100 60 20 20

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

扫描步长/cm 1

必须注意，在实际测量中，吸收谱线之间存在着相互重叠的现象。在压强较大的情况下，增加压强对于光谱吸收率的影响不大，但谱线线宽会随着压强的增加而不断增大，使得谱线之间相互重叠程度非常严重，给实际采集有效数据以及分析计算带来困难。

图6为模型在296K时Voigt 谱线的线宽随压强的变化图。

0.160.140.120.100.080.060.040.02

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08

压强/MPa

0.1

Voigt全线宽/ cm 1

注：空气和CO2的混合气，CO2谱线中心为6359.97cm 1， 气体总压为0.01MPa，温度为296K，吸收路径长度为2000cm

图4 扫描步长对于浓度计算的影响 Fig. 4 The effect of scanning step length

on concentration calculation

在实际测量时对于激光器的选取必须适当。激光扫描步长过大会导致采集数据点过少，从而使得浓度计算误差过大。虽然减小扫描步长可以增加数据点个数，但是将要求激光器具有更高的扫描精度，会对设备提出高的要求，增加投资，并且数据点过多对于浓度计算没有太大的帮助，在实际工程

注：空气和CO2的混合气，CO2浓度为10%，温度为296K

图6 CO2在6359.97cm 1处的Voigt谱线线宽

与压强关系曲线

Fig. 6 Pressure vs. Voigt line width of CO2 transition at 6359.97cm 1

3.3 温度和压强对于最小可探测浓度的影响 在TDLAS技术中，最小可探测浓度受气体种