基于TDLAS技術的H2O濃度及溫度測試研究

呂曉靜 徐恩華

【摘 要】H2O是燃燒過程重要產物之一，對其濃度和溫度的監測有助于更準確地了解工作過程?；诩す馕展庾V技術，利用波段為1392nm激光器通過直接測量法對環境中H2O組分進行了氣體濃度和溫度測量，測得H2O的氣體濃度值為36%，溫度值為342K。并對測量結果誤差進行了簡單分析。該研究可為TDLAS技術應用于民航等領域環境安全監測提供技術基礎。

【關鍵詞】激光;譜線;濃度;溫度

中圖分類號： TN248.2 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）23-0150-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.070

0 引言

近年來，石油化工、生化制藥及航空航天等領域飛速發展，為保證工業生產安全高效進行，需要對生產過程進行有效監測[1]。對燃燒產物及環境溫度的在線實現監測不僅對過程控制具有重要指示作用，還可以為環境保護及進一步科學研究提供數據參考[2]。半導體激光吸收光譜（TDLAS）技術是一種無損式氣體監測手段，測量過程中無需提前預處理及取樣，且可實現多種氣體同時在線測量，具有非常廣闊的應用前景[3]。H2O是燃燒過程重要產物之一，對其濃度和溫度的監測有助于更準確地了解工作過程。文章利用波段為1392nm激光器通過直接測量法對環境中H2O組分進行了氣體濃度和溫度測量。該研究可為TDLAS技術應用于民航等領域環境安全監測提供技術基礎。

1 測試譜線選取及實驗介紹

1.1 譜線選取

測試基于Beer-Lambert吸收定律[4]，需要選擇合適的吸收譜線。實驗激光器為1393nm可調諧半導體激光器。通過HITRAN數據庫的查詢得到在常溫環境下波數為7178cm-1附近H2O分子的光譜分布情況。在激光器掃描范圍內，篩選出吸收信號明顯且能夠避免譜線之間相互干擾的幾條譜線，并最終選取位于7181.15578cm-1的譜線對空氣中H2O的濃度進行測量研究，選擇位于7181.15578與7182.20911cm-1譜線完成空氣中H2O溫度的測量。

由HITRAN數據庫查詢計算得到，7181.15578cm-1和7182.20911cm-1的線強比與溫度的關系如圖1所示。觀察該圖可知，譜線強度比值和溫度是一一對應關系，通過獲得兩條譜線的強度比值，可實現對溫度的測量。溫度200-1000K范圍內，測量靈敏度較高。

1.3 實驗系統及操作

采用TDLAS技術對H2O的濃度及溫度進行測量的實驗系統流程如圖2所示。0.2-1V鋸齒波掃描電壓加載在驅動電路的調制端口產生激光信號。紅外激光通過光纖輸出，經過準直后，射入吸收池。由于吸收池內承載著待測氣體，所以紅外光在經過吸收池氣體透射后，強度根據消光定律發生衰減，衰減后的紅外光從另一端射出，通過大面積探測器探測，得到電信號。經過數據采集卡進行采集和模數轉換，然后通過計算機來進行分析和數據顯示、保存。

2 實驗結果分析

圖3為采集得到的7181.15578cm-1和7182.20911cm-1附近的掃描波形。

截取掃描波形的一個周期，并利用曲線進行多項式線性擬合方法確定基線并分別對兩條曲線作數學運算-ln（A/B），便得到吸收波峰曲線，對測量得到的光譜吸收率信號并通過利用洛倫茲線型擬合函數進行擬合計算，然后對橫坐標進行波數（或波長）標定。

通過洛倫茲擬合曲線可以得到譜線在頻域內的積分面積。分別為A1=0.18548和A2=0.0178508。

在已知吸收率曲線對頻率域的積分A1、大氣壓強P、吸收譜線強度S（T）和吸收光程L的情況下，根據公式經過簡單的數學計算計算我們可以很容易得出所測H2O的氣體濃度值為36% ;譜線對在頻域上的積分面積比為A1：A2=10.391，根據線強比值與溫度的一一對應關系，計算得到所測H2O的氣體溫度值為342K。

激光器的強度會隨測試過程的進行而發生細微變化。當吸收信號減弱至與激光背景強度變化同一數量級的水平時，很難將吸收信號提取出來。另外，由于所使用的探測器沒有溫控裝置，所以長時間工作的條件下，電子元件的輸出信號將產生溫度漂移，一旦探測器的響應隨著溫度發生變化，則得到的激光強度電壓信號將發生變化，這樣將給測量帶來很大的誤差。除此以外，數據處理過程，如基線確定、洛倫茲線型擬合等也會給測量結果帶來一定誤差。

【參考文獻】

[1]姜日紅.脈沖爆震發動機工作過程研究[D].南京理工大學，2010.

[2]HU HONG-BO， WENG CHUN-SHENG， LV XIAO-JING， et al. Analysis on Impulse Characteristics of PDRE with Exhaust Measurements[J].International Journal of Turbo & Jet-Engines. 2014，31（2）：97-103

[3]張楊，范穎，王哲，等.基于可調諧激光吸收光譜技術的硫化氫檢測方法研究[J].電子測量與儀器學報，2017，31（12）：1943-1947.

[4]呂曉靜，李寧，翁春生.高壓環境下1.58μm波段CO2吸收光譜特性分析[J].物理學報，2012，61（23）：234205.