作者：李春光; 董磊; 郑传涛; 王一丁; 林君乙烷带间级联激光器波长调制光谱多反射气室
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54.6m密集光斑多通气体吸收气室(600mL)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100Torr和0.074cm^-1,对应的调制信号幅度为~0.026V。此外,基于优化后的气压和调制深度,使用136.8nmol·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33nmol·mol^-1。最后,使用9个不同浓度乙烷标准气体(20~400nmol·mol^-1)分别进行~5min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48nmol·mol^-1乙烷气体样品开展连续2h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4s时,乙烷气体检测灵敏度为~0.81nmol·mol^-1。通过增加系统积分时间至63s,系统灵敏度可被提高至~0.36nmol·mol^-1。
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