中红外痕量乙烷传感器设计与稳定性分析
作者机构：吉林大学仪器科学与电气工程学院国家地球物理探测仪器工程技术研究中心吉林长春130061 山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室山西太原030006 吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室吉林长春130012 吉林大学生物与农业工程学院吉林长春130022
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)资助
出 版 物：《光谱学与光谱分析》 (Spectroscopy and Spectral Analysis)
年 卷 期：2019年第39卷第3期
页 码：959-963页
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)。
学科分类：081704[081704] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-轻工类] 070302[070302] 0703[理学-化学类]
核心收录：
D O I：10.3964/j.issn.1000-0593(2019)03-0959-05
馆 藏 号：203607049...
