基于WMS技術(shù)的機(jī)動車尾氣CO和CO₂同時(shí)監(jiān)測

張濤 李永剛 魏瑩瑩

摘要：基于對機(jī)動車尾氣中CO和CO2同時(shí)測量的需求，提出并實(shí)現(xiàn)了利用WMS-2f/lf免校準(zhǔn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩種氣體的無標(biāo)測量。結(jié)果表明：在選擇恰當(dāng)吸收譜線的基礎(chǔ)上，對CO和CO2的混合氣體進(jìn)行濃度檢測，并對測量結(jié)果進(jìn)行Allan方差評價(jià)，認(rèn)為在系統(tǒng)積分時(shí)間為2s時(shí)，CO和CO2的最低檢測限分別為0.76×10^-6和0.89×10^-6，所用激光傳感器系統(tǒng)的精度滿足機(jī)動車尾氣的測量要求。

關(guān)鍵詞：波長調(diào)制光譜;機(jī)動車尾氣;同時(shí)監(jiān)測

中圖分類號：X51 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）14-0070-04

1引言

二氧化碳（C02）是重要空氣的組成成分，也是產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”的主要罪魁禍?zhǔn)祝谎趸迹–O）是重要的空氣污染物，二者的主要來源為化石燃料的燃燒以及機(jī)動車尾氣的排放等，隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，居民汽車擁有量的爆炸式增長，使得機(jī)動車尾氣中的CO和CO2對環(huán)境質(zhì)量的影響越來越嚴(yán)重，這些機(jī)動車輛排放的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出局部地區(qū)，成為增長最快的溫室氣體排放源，對人類的健康和自然資源構(gòu)成了極大威脅。因此，對汽車尾氣中的CO和cO2濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的監(jiān)測，能夠幫助環(huán)保部門對氣體污染物進(jìn)行監(jiān)督管理和控制排放，對環(huán)境保護(hù)有積極的意義。

基于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)（Tunable Laser ab-sorption spectroscopy，TDLAS）的激光傳感器系統(tǒng)憑借高靈敏度、高分辨率和快速測量等優(yōu)勢在環(huán)境痕量氣體監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。該類型的激光傳感器系統(tǒng)以半導(dǎo)體激光器為核心，感興趣的吸收波段有效覆蓋近紅外和中紅外光譜區(qū)。而半導(dǎo)體二極管由于體積緊湊、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在痕量氣體的實(shí)地測量中應(yīng)用前景廣闊。美國Hanson課題組的R.M.Spearrin等人選取中心波數(shù)為2394.4cm^-1和2060.2cm^-1的QCL激光器對超音速發(fā)動機(jī)燃燒過程中CO和COz的濃度進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測;安光所的涂興華等人在討論了吸收譜線的線型基礎(chǔ)上對線型函數(shù)和波長調(diào)制光譜技術(shù)（wavenumber Modulation Spectroscopy，wMS）的調(diào)制幅度進(jìn)行討論，并驗(yàn)證消除背景信號在光譜測量中的重要性;TINGDONG CAI等人有效分離中心波長為1579.74nm和1579.57nm的CO和CO²交叉吸收峰，并利用wMS技術(shù)測量高溫環(huán)境下的濃度;這些研究成果為本文提供了研究思路。為了有效提高機(jī)動車尾氣中CO和CO²濃度同時(shí)檢測的效率，本文提出基于wMS技術(shù)的2f/1f免校準(zhǔn)技術(shù)利用雙光路用于機(jī)動車尾氣中CO和CO²濃度的原位同時(shí)檢測。

2理論基礎(chǔ)

WMS技術(shù)的理論基礎(chǔ)為伯一比爾定律。對于光學(xué)薄的情況下（吸光度a（V）<0.1），朗伯一比爾定律可表述為透射率r（V）與吸光度a（u）如公式（1）所示的關(guān)系式。

由公式（9）可知，當(dāng)溫度T、光程L和壓強(qiáng)P不發(fā)生改變的情況下，對于固定的光程，Rzf/1f只與氣體濃度呈正相關(guān)。因此，在當(dāng)溫度、光程和壓強(qiáng)已知時(shí)，只需預(yù)先測量激光器的輸出特性，即可實(shí)現(xiàn)WMS-2f/1f的濃度免校準(zhǔn)測量。

3傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選擇恰當(dāng)?shù)奈兆V線是測量的必要條件，根據(jù)Zhou提出的譜線選擇原則，在HITRAN數(shù)據(jù)庫中選取CO吸收峰的中心波數(shù)選擇為4297.70cm-1，C02吸收峰的中心波數(shù)為_4989.97cm^-1，光程為100cm，壓強(qiáng)為1atm，溫度取300K，CO和CO2的濃度均取為1000ppm，如圖1所示。由圖1可知，選擇的CO和C02吸收峰無氣體間的交叉干擾，且根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫可知CO和C02的吸收線強(qiáng)分別為1.306e^-21和2.938e^-21，強(qiáng)度滿足測量要求。

鎖相放大模塊產(chǎn)生兩路調(diào)制信號輸出到激光驅(qū)動器，由驅(qū)動器負(fù)責(zé)將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號并驅(qū)動激光器輸出感興趣波段的激光信號，輸出的激光信號經(jīng)自制的耦合器平行輸出并穿過自制的氣體池后，由光電探測器檢測并轉(zhuǎn)換電信號，兩路信號傳回鎖相放大模塊中進(jìn)行解調(diào)。對解調(diào)后的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，即可求得待測CO和CO2的濃度。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

對激光傳感器系統(tǒng)，測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性是重要的評價(jià)指標(biāo)，因此利用標(biāo)準(zhǔn)氣體對傳感器系統(tǒng)進(jìn)行測量。首先設(shè)置鎖相放大模塊的輸出信號波形，鋸齒掃描信號的頻率設(shè)置為10Hz，正弦調(diào)制頻率為5kHz，調(diào)制指數(shù)各設(shè)置為2.2。

利用氣體分割器將CO標(biāo)氣（標(biāo)氣值：100×10^-6）、cO2標(biāo)氣（標(biāo)氣值：500×10^-6）和高純N2標(biāo)氣按照進(jìn)行多組分割，并進(jìn)行測量。為了避免測量過程中隨機(jī)誤差的出現(xiàn)，每組待測氣體的測量結(jié)果每10次取平均值作為最終測量的濃度值。不同濃度下CO和CO2的2f/lf吸收譜線如圖3所示。

由圖3可知，CO和CO2的2f/1f信號的形狀基本不變，且信號幅值隨濃度增加而增加。根據(jù)公式（9）可反演CO和CO2的濃度，對不同濃度的組合進(jìn)行分析，建立反演濃度與實(shí)際濃度之間的線性關(guān)系式，如圖4所示。

對圖4進(jìn)行分析可知，兩種氣體的線性度分別為0.999和0.9975，擬合度較好。

為了確定本激光傳感器系統(tǒng)的測量穩(wěn)定性，選取CO（25×10^-6）和CO2（75×10^-6）進(jìn)行連續(xù)測量，每2s采集一次數(shù)據(jù)，連續(xù)采集1h的測量結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)Allan評價(jià)原理對測量結(jié)果進(jìn)行分析，記縱坐標(biāo)為激光傳感器的靈敏度，對應(yīng)的橫坐標(biāo)為積分時(shí)間。

5展望

本文通過WMS-2f/1f技術(shù)利用兩支DFB激光器完成了對CO（4297.70cm^-1）和CO2（4989.97cm^-1）濃度的同時(shí)檢測。根據(jù)2f/1f信號在調(diào)制幅度、溫度和光程長度不變的情況下，信號幅值只與濃度呈正相關(guān)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)WMS-2f/1f免校準(zhǔn)技術(shù)的無標(biāo)測量，無需在激光傳感器系統(tǒng)中設(shè)置參考光路，節(jié)省成本的同時(shí)縮小系統(tǒng)體積。此外，由于本傳感器系統(tǒng)選用兩支激光器完成了氣體濃度的同時(shí)測量，因此，只需更換激光器即可實(shí)現(xiàn)其他種類兩種氣體的同時(shí)監(jiān)測，系統(tǒng)便利性強(qiáng)，應(yīng)用前景廣闊。