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(shù)的基本原理，采用CO2檢測系統(tǒng)進行實驗研究，建立了光強與電壓幅值之間的關(guān)系曲線，對氣體中的CO2濃度進行檢測。結(jié)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(tǒng)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(shù)

1 前言

光纖氣體傳感器具有靈敏度高、動態(tài)范圍大、精度高、本質(zhì)安全等特點，還具有體積小、易于復合及遠程測量等優(yōu)點，近年來光纖氣體傳感器檢測技術(shù)越來越受到國內(nèi)外關(guān)注，已經(jīng)廣泛應用于環(huán)境污染檢測，也可對礦井中危險氣體、工業(yè)防燃防爆區(qū)等高危環(huán)境進行氣體監(jiān)測[1-3]。該技術(shù)不僅可以解決一些特定環(huán)境中的危險氣體的長期安全監(jiān)測的技術(shù)難題，對于環(huán)境保護、國防（如防生化武器）以及水下作業(yè)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(shù)，當光通過氣體后，CO2吸收譜線處光強就會發(fā)生衰減，進而影響檢測系統(tǒng)中電壓變化，通過建立CO2濃度與電壓變化之間的關(guān)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(shù)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(wǎng)絡等優(yōu)點，是目前最有前途的一種氣體傳感技術(shù)[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(fā)生衰減，根據(jù)Lambert-Beer定律輸出光強度I，輸入光強度I0和氣體濃度的關(guān)系為[8]：

其中a為摩爾分子吸收系數(shù)，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(shù)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(jù)。

2.2 實驗裝置

CO2檢測系統(tǒng)以氣瓶、流量計、螺線管組成配氣系統(tǒng)，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(huán)，氣體均勻地混合。光源、氣室、濾光片、探測器組成CO2檢測系統(tǒng)主體，檢測系統(tǒng)如圖1 所示。

光源發(fā)出覆蓋4.2μm波段的光，并經(jīng)透鏡準直后光進入氣室，與含有CO2的待測氣體接觸并產(chǎn)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(diào)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(tǒng)

設Vpp0為CO2濃度為零時的輸出電壓幅值，Vpp為在被測氣體環(huán)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(jié)果分析

對CO2檢測系統(tǒng)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(wěn)定，實驗測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 CO2檢測系統(tǒng)重復性實驗結(jié)果

分別對表1中不同CO2濃度下的實驗數(shù)據(jù)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(jié)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(tǒng)輸出電壓幅值，并計算K值，實驗結(jié)果如表2所示。

為了分析CO2濃度與K值之間的關(guān)系，對實驗結(jié)果進行作圖分析，分析結(jié)果如圖2 所示。

從圖2可以看出，系統(tǒng)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(nèi)，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(jié)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(tǒng)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(shù)據(jù)做線性擬合，擬合結(jié)果如圖3所示。

表2 不同CO2濃度的測試結(jié)果

圖2 CO2濃度與K值的變化規(guī)律

圖3 CO2濃度為0～1%的擬合結(jié)果

從圖3可以得出，在CO2濃度為0～1%時，線性擬合相關(guān)系數(shù)R為0.956 7，線性相關(guān)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(fā)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(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 CO2濃度為0～0.5%的擬合結(jié)果

圖5 CO2濃度為0.5～1%的擬合結(jié)果

從擬合結(jié)果可以得出，CO2濃度在0～0.5%和0.5%～1%中的線性相關(guān)系數(shù)分別為0.988 7和0.995 4，比單獨在0～1%中的擬合相關(guān)系數(shù)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?qū)崿F(xiàn)氣體中CO2的濃度檢測。

4 結(jié)束語

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

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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(shù)研究。