中红外痕量乙烷传感器设计与稳定性分析

摘要：

根据乙烷气体分子在3.3μm处的基频吸收特性, 使用中心波长为3.337μm室温连续带间级联激光器 (ICL) 和有效光程为54.6 m密集光斑多通气体吸收气室 (600 mL) 研制了基于波长调制光谱技术 (WMS) 的乙烷传感器.详细介绍了基于WMS和二次谐波 (2f) 探测技术的光谱吸收法气体检测原理, 给出了目标乙烷气体吸收线的遴选细节.此项技术的使用减小了光功率漂移对系统的影响, 使得系统最低检测下限 (MDL) 和稳定性能得到提升.结合原理框图, 通过光学和电学两个模块分别详细介绍了乙烷传感系统设计方案, 描述了自主研制的软、硬件单元和商用仪器的使用及其型号供他人参考, 并给出传感器光学配置实物图.而且, 为匹配激光波长调制与基于压力的吸收线宽, 对气压和调制深度进行优化, 研究了调制幅度对应2f信号峰值及调制幅度与调制深度的关系, 最终确定最优气压和调制深度分别为100 Torr和0.074 cm-1, 对应的调制信号幅度为～0.026 V.此外, 基于优化后的气压和调制深度, 使用136.8 nmol·mol-1乙烷标准气体进行了系统灵敏度估算.详细介绍了ICL扫描调制信号、锁相放大及数据采集单元的参数设置, 并给出示波器记录的扫描调制信号及2f信号波形图片.通过对比DAQ采集的2f信号和背景噪声信号, 估算系统最低检测下限为33 nmol·mol-1.最后, 使用9个不同浓度乙烷标准气体 (20～400 nmol·mol-1) 分别进行～5 min系统标定测试, 并列出了拟合曲线和拟合相关度等信息.而且, 使用浓度为48 nmol·mol-1乙烷气体样品开展连续2 h系统稳定性测试并进行Allan-Werle方差分析.结果显示, 该系统工作稳定, 积分时间为4 s时, 乙烷气体检测灵敏度为～0.81 nmol·mol-1.通过增加系统积分时间至63 s, 系统灵敏度可被提高至～0.36 nmol·mol-1.

关键词：乙烷、带间级联激光器、波长调制光谱、多反射气室

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分类号：O657.3(分析化学)

资助基金：博士后创新人才支持计划BX201700100;中国博士后科学基金项目2017M621206;国家自然科学基金项目61805099

在线出版日期：2019-06-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共5页

页码：959-963