基于光谱吸收的CO2气体检测系统

doi:10.3976/j.issn.1002-4026.2022.06.013

山东科学 ›› 2022, Vol. 35 ›› Issue (6): 103-108.doi: 10.3976/j.issn.1002-4026.2022.06.013

基于光谱吸收的CO₂气体检测系统

宫卫华¹(), 张婷婷¹, 魏玉宾¹, 王兆伟¹, 李艳芳¹, 张秦端¹, 刘统玉¹^,², 张伟¹

1.齐鲁工业大学(山东省科学院) 山东省科学院激光研究所,山东济南 250103
2.山东省微感光电子有限公司,山东济南 250103

收稿日期:2022-02-14 出版日期:2022-12-20 发布日期:2022-12-02
作者简介:宫卫华(1992—),女,硕士,助理研究员,研究方向为激光气体检测技术与应用。E-mail:weihua.gong@sdlaser.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2021YFB3201904);国家重点研发计划(2021YFB3201905);山东省重大科技创新工程项目(2019JZZY020501);山东省自然科学基金(ZR2019PF016);山东省自然科学基金(ZR2020QF098);济南市创新团队项目(2020GXRC032)

Study on CO₂ detecting system based on spectrum absorption

GONG Wei-Hua¹(), ZHANG Ting-Ting¹, WEI Yu-Bin¹, WANG Zhao-Wei¹, LI Yan-Fang¹, ZHANG Qin-Duan¹, LIU Tong-Yu¹^,², ZHANG Wei¹

1. Laser Institute, Qilu University of Technology (Shandong Academy of Sciences), Jinan 250103, China
2. Shandong Micro-Sensor Photonics Ltd., Jinan 250103, China

Received:2022-02-14 Online:2022-12-20 Published:2022-12-02

摘要/Abstract

摘要：

针对CO₂气体实时在线监测的应用需求,以比尔-朗伯定律为理论基础,基于可调谐半导体激光吸收光谱技术搭建一套CO₂气体在线检测系统。选择吸收谱线波长为1 609.583 nm,并在系统中搭建两路参考光路用于消除光源信号波动和实现自动寻峰,以提高检测系统的稳定性与准确性。通过对系统的标定与校准,系统测量相对误差小于0.8%,系统重复性小于0.06%,响应时间不超过18 s,对空气中CO₂的体积分数进行连续4 h监测,其值的波动范围为360×10^-6 ~ 400×10^-6。试验结果表明该系统具有较好的稳定性与可靠性,可满足CO₂气体实时在线监测的应用需求。

关键词: 二氧化碳, 可调谐半导体激光吸收光谱技术, 气体检测, 参考光路

Abstract:

To meet the application requirements of real-time carbon dioxide (CO₂)-gas online monitoring, this paper proposes an online detection system for the CO₂ gas based on tunable diode laser absorption spectroscopy according to the theory of Beer-Lambert law. The selected absorption spectrum wavelength of the system is 1 609.583 nm. Futher, two reference optical paths are built to eliminate the signal fluctuation of the light source and automatically detect the absorption peak to improve the stability and accuracy of the detection system. The calibration of the system shows that the relative measurement error of the system is less than 0.8%, the system repeatability is less than 0.06%, and the response time is less than or equal to 18 s. Continuous monitoring of CO₂ in the air for 4 h shows that the fluctuation range of the volume fraction measurement is 360×10^-6 to 400×10^-6. The system has good stability and reliability and can meet the application requirements of real-time CO₂ gas online monitoring.

Key words: carbon dioxide, tunable diode laser absorption spectroscopy technology, gas detection, reference optical path

中图分类号:

宫卫华, 张婷婷, 魏玉宾, 王兆伟, 李艳芳, 张秦端, 刘统玉, 张伟. 基于光谱吸收的CO₂气体检测系统[J]. 山东科学, 2022, 35(6): 103-108.

GONG Wei-Hua, ZHANG Ting-Ting, WEI Yu-Bin, WANG Zhao-Wei, LI Yan-Fang, ZHANG Qin-Duan, LIU Tong-Yu, ZHANG Wei. Study on CO₂ detecting system based on spectrum absorption[J]. Shandong Science, 2022, 35(6): 103-108.

图/表 7

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表1

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参考文献 14

[1]	金奖铁, 李扬, 李荣俊, 等. 大气二氧化碳浓度升高影响植物生长发育的研究进展[J]. 植物生理学报, 2019, 55(5): 558-568. DOI: 10.13592/j.cnki.ppj.2018.0533. doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2018.0533
[2]	王婧, 刘毅, 杨东旭. 探寻我国碳汇分布:从大气CO₂探测入手[J]. 科学通报, 2021, 66(7): 709-710. DOI:10.1360/TB-2020-1491. doi: 10.1360/TB-2020-1491
[3]	唐露新. 传感与检测技术[M]. 北京: 科学出版社, 2006.
[4]	魏玉宾. 光纤气体传感器及其安全工程应用中的关键技术研究[D]. 济南: 山东大学, 2016.
[5]	李冬梅, 黄元庆, 张佳平, 等. 几种常见气体传感器的研究进展[J]. 传感器世界, 2006, 12(1): 6-11. DOI: 10.16204/j.cnki.sw.2006.01.001. doi: 10.16204/j.cnki.sw.2006.01.001
[6]	BOGUE R. Detecting gases with light: A review of optical gas sensor technologies[J]. Sensor Review, 2015, 35(2): 133-140. DOI: 10.1108/sr-09-2014-696. doi: 10.1108/sr-09-2014-696
[7]	WERLE P, SLEMR F, MAURER K, et al. Near- and mid-infrared laser-optical sensors for gas analysis[J]. Optics and Lasers in Engineering, 2002, 37(2/3): 101-114. DOI: 10.1016/S0143-8166(01)00092-6. doi: 10.1016/S0143-8166(01)00092-6
[8]	DINH T V, CHOI I Y, SON Y S, et al. A review on non-dispersive infrared gas sensors: Improvement of sensor detection limit and interference correction[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2016, 231: 529-538. DOI: 10.1016/j.snb.2016.03.040. doi: 10.1016/j.snb.2016.03.040
[9]	NWABOH J A, WERHAHN O, ORTWEIN P, et al. Laser-spectrometric gas analysis: CO₂-TDLAS at 2 μm[J]. Measurement Science and Technology, 2013, 24(1): 015202. DOI: 10.1088/0957-0233/24/1/015202. doi: 10.1088/0957-0233/24/1/015202
[10]	罗淑芹. 基于TDLAS的CO₂气体检测分析系统[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2013.
[11]	信丰鑫. 基于TDLAS的大气CO₂监测技术研究[D]. 青岛: 中国海洋大学, 2014.
[12]	李华昌, 高介平, 符斌. ATC 006原子吸收光谱分析技术[M]. 北京: 中国标准出版社, 2011.
[13]	ABITAN H, BOHR H, BUCHHAVE P. Correction to the Beer-Lambert-Bouguer law for optical absorption[J]. Applied Optics, 2008, 47(29): 5354-5357. DOI: 10.1364/AO.47.005354. doi: 10.1364/AO.47.005354
[14]	ROTHMAN L S, GORDON I E, BABIKOV Y, et al. The HITRAN2012 molecular spectroscopic database[J]. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2013, 130: 4-50. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2013.07.002. doi: 10.1016/j.jqsrt.2013.07.002

φ₀/%	φ₁/%	φ₂/%	δ/%
0.251	0.248	0.258	3.984
0.754	0.746	0.769	3.050
1.020	0.996	1.024	2.745
2.030	2.010	2.051	2.020
5.010	4.987	5.044	1.138
10.000	9.964	10.024	0.600
20.000	19.994	20.012	0.090
25.000	24.988	25.012	0.096

基于光谱吸收的CO₂气体检测系统

Study on CO₂ detecting system based on spectrum absorption

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[1]	喻鹏飞, 王晓杉, 于自强, 魏玉宾, 张婷婷, 胡杰, 刘统玉, 王兆伟. 应用于精准发酵的激光CO₂尾气在线检测技术研究[J]. 山东科学, 2020, 33(1): 68-74.
[2]	张婷婷,胡杰,魏玉宾,刘统玉. 矿用光纤气体检测中的最小二乘拟合方法研究[J]. 山东科学, 2015, 28(1): 47-50.
[3]	常恒泰，常军，刘永宁，王福鹏，王强. 一种应用于石英音叉增强型光谱的前置放大电路[J]. J4, 2014, 27(2): 53-57.