發(fā)布時間：2022-01-04 18:50

　　當待測氣體濃度較高時,腔內吸收損耗較大,限制了腔衰蕩光譜檢測技術的檢測量程。針對這一問題,分析了采樣閾值與氣體濃度檢測之間的相關性,模擬了閾值調節(jié)對檢測精度的影響,建立了描述閾值與氣體濃度的動態(tài)響應范圍的模型,提出了通過調節(jié)閾值實現(xiàn)檢測量程擴展的方法。在實驗中,利用腔衰蕩光譜檢測裝置對不同濃度的甲烷標準氣體進行測量,測量結果與理論模擬結果一致。通過調節(jié)檢測閾值,將量程擴展到1×10^-4（體積分數(shù)）,動態(tài)響應范圍為2.72×10⁴,最大引用誤差為0.78%。該方法解決了腔衰蕩光譜技術中低檢出限和大量程不能同時滿足的問題,為閾值參數(shù)的設置提供了分析方法。 

【文章來源】：中國激光. 2020,47(08)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

不同衰蕩時間下設置采樣閾值對檢測精度的影響以及閾值固定時檢測精度與衰蕩時間的關系。

選用1654 nm附近2v3吸收帶的甲烷吸收譜線,結合HIRAN數(shù)據庫和Voigt線型對甲烷氣體的吸收截面進行計算[7,15],在25 ℃溫度和標準大氣壓下,吸收截面 σ(ν)=1.47×10-20 cm2/molecule。根據出射光強與閾值的對應關系,對不同閾值下的檢測量程進行了模擬,結果如圖2(a)所示,當閾值設置為9.80 mV時,可對體積分數(shù)為5×10-5的甲烷氣體進行測量;當閾值設置為180.20 mV時,甲烷氣體的最大檢測量程(體積分數(shù),全文同)僅為2×10-6。設置的閾值越高,對應的檢測量程越小,閾值越低,可響應的動態(tài)檢測范圍越大。閾值的設置影響檢測精度和測量范圍,進而影響儀器的檢出限和動態(tài)響應范圍,因此在實際操作時,閾值的設置必須要兼顧檢測量程與精度。由圖2(b)可知,當甲烷的體積分數(shù)為5×10-4時,采集閾值為1.8 mV,對應的衰蕩時間為0.27 μs,衰蕩信號的觸發(fā)采集以及衰蕩時間的解算都較難實現(xiàn)。閾值調節(jié)方法受探測器響應特性[16]、數(shù)據采集模塊的分辨率以及算法的限制,量程只能得到有限的擴展。

標準氣體通過質量流量控制器進入腔體內。在腔體的輸入輸出端加有干燥器和顆粒過濾器,以防止水汽和細微顆粒物對實驗的干擾。在實驗中,首先在衰蕩腔內通入氮氣(N2,體積分數(shù)為99.99%),設置不同的采樣閾值并獲取對應的衰蕩時間。探測器零點偏置約為3.5 mV,為了避免隨機噪聲和高階模式觸發(fā)的影響,觸發(fā)閾值起始設置為20 mV,采樣間隔為20 mV,逐漸增大閾值直到信號強度無法滿足觸發(fā)條件(260 mV)為止。與前述數(shù)值模擬相同,使用 Δτ/ τ ˉ 來衡量檢測精度, τ ˉ 為采集的1000組衰蕩時間的平均值。如圖4所示,觸發(fā)閾值設置為20 mV時,信噪比為22.41 dB, Δτ/ τ ˉ 為0.053;觸發(fā)閾值設置為260 mV時,信噪比為44.91 dB, Δτ/ τ ˉ 為0.0044,提升了11.05倍。設置的觸發(fā)閾值越高,信噪比越大,檢測精度也越高。

【參考文獻】：
期刊論文
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