洛伦兹线型近似引起的甲烷检测误差研究

摘要：

2ν3 波段 R3 分支(6046.95 cm-1)是近红外甲烷检测领域最常用波段.R3 分支三条谱线相距很近,通常用一条谱线的洛伦兹线型去描述其谱形,校正温度、压强引起的二次谐波峰值误差,然而洛伦兹线型本身引起的误差并没有得到足够的重视.对TDLAS系统建模分析,以低频锯齿波叠加高频正弦波调制激光,经待检测气体吸收后,再利用数字锁相放大及低通滤波实现解调,最终通过旋转坐标系得到一次谐波归一化的二次谐波信号.通过分别比较单条谱线洛伦兹线型与三条谱线 Voigt 线型对二次谐波的影响,分析温度、压强变化条件下,由单条谱线洛伦兹线型近似带来的二次谐波误差.结果表明:(1)压强、温度变化时,洛伦兹线型二次谐波峰值误差较平均极小值误差更小;(2)洛伦兹线型二次谐波峰值的误差随着压强降低而显著增加,温度为 298 K、压强降低至 0.2 atm时,由洛伦兹线型近似带来甲烷气体二次谐波峰值的误差达65.5％;(3)以峰谷率、谐波宽度等参数衡量二次谐波谱形,在温度为 298 K、压强小于 0.8 atm条件下,峰谷率误差大于 4.5％,压强为 1 atm、温度大于 380 K条件下,峰谷率误差大于 4.8％,由于二次谐波谱形误差对于峰谷率参数较为敏感,因此对于 6046.95 cm-1 处的甲烷气体,洛伦兹线型很难适用于免校准算法;(4)洛伦兹线型近似误差随调制系数增加而减小,当温度为 298 K、压强为 1 atm,调制电流大于 2.2 mA(对应调制系数 1.33)时,二次谐波峰值误差、峰谷率误差和宽度误差都小于 3.5％.所提出的洛伦兹线型误差分析方法,对研究温度、压强变化环境下线型近似引起的TDLAS的甲烷检测误差有一定的参考意义,也可推广至其他气体多谱线波段的TDLAS检测.

关键词：可调谐半导体激光吸收光谱、甲烷检测、二次谐波谱形、峰谷率、温度、压强变化

所属期刊栏目：43

分类号：O433.1(光学)

资助基金：国家自然科学基金;山东省自然科学基金青年科学基金项目;山东省自然科学基金青年项目

在线出版日期：2023-07-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共7页

页码：1683-1689