NDIR多组分气体分析的干扰修正方法研究

介绍了非分散红外(Non-Dispersive Infrared,NDIR)多组分气体分析的一种干扰修正方法.根据逐次积分气体吸收模型和方法,并考虑温度和气压对积分线强和线型的影响,选择洛伦兹展宽线型,得到了CO,CO2,NO和H2O在各个滤波通道的响应系数.利用响应系数建立了用于干扰修正的四元线性回归方程组,通过求解...     

红外差分光学吸收光谱技术测量环境大气中的水汽

研究了基于红外差分光学吸收光谱技术的环境大气中的水汽测量方法. 所用实验装置由自制的非分散红外多组分气体分析仪改装而成, 根据HITRAN数据库提供的线强参数,采用Voigt展宽线型和方法,并考虑温度、 气压及仪器函数的影响,计算出了水汽反演波段的有效吸收截面. 将反演的水汽浓度与非分散红外分析仪的测量结果进行了实时对比, 得到了较好的测量一致性,测量相关系数为0.93347. 为今后采用红外DOAS技术测量其他在紫外可见波段无吸收或仅有弱吸收的气体 (如CO₂, CH₄, CO, N₂O等)提供了可借鉴的解决方案.     

基于差频中红外激光的痕量气体高分辨光谱检测研究

研究了基于差频光源的高分辨中红外激光光谱检测系统,差频中红外光源使用两台近红外半导体激光器作为种子光源,采用PPLN晶体作为非线性混频器件,结合准相位匹配技术实现了3.2~3.7 μm中红外相干光源输出,最大差频输出功率约为1 μW.以CH₄为例检验了系统的高分辨红外光谱检测特性,选择CH₄分子3 028.751 cm^-1 v₃基频吸收线作为分析谱线,10 cm光程的检测限为0.8 ppm.光谱数据分析表明,系统检测限主要受到标准具光学噪音的限制.     

羟基碳纳米管吸附SF6放电分解组分的DFT计算

本文根据密度泛函理论(density functional theory , DFT), 采用MS分子动力学仿真软件对羟基修饰的单壁碳纳米管(SWNT-OH) 吸附SF₆局部放电分解的四种主要组分SOF₂, SO₂F₂, SO₂和CF₄进行了详细的理论计算, 通过分析气体分子和SWNT-OH的前线轨道, 吸附过程中吸附能、电荷转移量和电子态密度的情况, 以及吸附前后SWNT-OH能隙的变化, 评判了SWNT-OH对气体分子的敏感性和选择性, 给出了SWNT-OH是否可以制备气体传感器检测SF₆局部放电分解组分的理论依据.     

Spectroscopic Detection of Sulfur Oxides in the Aircraft Wake

The absorption/emission spectral regions of SO, SO₂, SO₃, S₂O and HSO are analyzed for the range from UV (λ ≥ 0.2 μm) to IR (λ < 30 μm) and are compared with the atmospheric transmission spectrum. It is shown that many vibrational bands of the compounds considered fall into atmospheric transmission windows. For the vibrational bands of SO, SO₂, SO₃, S₂O, and HSO molecules there are some gases which hinder the absorption diagnostics of the indicated compounds. These interfering gases are natural components of atmospheric air as well as specific gases of aircraft engine exhaust. It is found that the least influence of the interference takes place in the 2400–2700 cm⁻¹ IR region. The spectroscopic techniques used for the detection of aircraft engine exhaust compounds are briefly reviewed, with much consideration given to SO₂. The IR absorption spectra of SO₂ and other gases are calculated for the conditions of the aircraft engine nozzle exit. Narrow spectral intervals suitable for SO₂ detection in a hot flow are determined. An analysis is made for the detection capabilities of CO₂ lasers (including isotope CO₂ lasers) and CO lasers (both fundamental band and first-overtone ones) as applied to SO₂ detection in aircraft engine exhaust. Published in English as Preprint No. 5 of the P. N. Lebedev Physical Institute, Moscow (2004).     

逐线积分气体吸收模型及其在NDIR气体检测中的应用

介绍了一种精确的逐线积分痕量气体吸收模型,模型适用于中红外波段大气环境中痕量气体、污染气体检测的理论研究和工程应用。首先介绍了气体辐射特性的理论计算方法和现有逐线积分大气模 型,比较了各自的优劣性,其次详述了逐线积分计算的理论: 吸收系数是温度、波长、气体浓度和相关吸收线参数的函数,单条谱线的平均吸收系数是积分线强与谱线线型的卷积,在不同的大气条件下选 择不同的线型。最后,详细描述了模型的算法细节,并给出了模型计算的结果与傅里叶变换光谱仪实测数据的对比,举例介绍了吸收模型在NDIR气体探测技术中的实际应用,并使用该模型模拟了NDIR探 测器两个通道的信号强度随尾气中CO₂,CO浓度变化的关系,通过计算确定了NDIR探测器合适的工作范围。所述模型利用HITRAN光谱数据库,考虑了展宽、线翼截断、温度修正、光谱分辨 率变化等情况,可以有效的模拟大气环境中多种气体的红外吸收特征。     

旋转光栅式光谱仪的研制与应用

根据光谱仪原理,研制了一种光栅匀速旋转式光谱仪,其特点是测量周期短、灵敏度高、结构简单和操作方便.该仪器可用于各种光谱的在线测量系统中,已成功地用于烟道SO₂浓度检测、空气中NO₂浓度检测和固体染料的荧光光谱测量中.     

环式M(SO2)(M=Zn, Cd)分子及其阴离子的基质隔离红外光谱和密度泛函理论计算

激光溅射锌和镉原子与SO₂分子反应的低温基质隔离红外光谱实验表明,在氩和氖的惰性基质中,形成了环式M(SO₂)分子及其阴离子M(SO₂)^- (M=Zn, Cd)．相关同位素(³⁴SO₂和S¹⁸O₂)替代实验及密度泛函理论计算均证实了这一结果．此外,自然电荷布居分析表明电子从金属锌和镉的s轨道转移到了SO₂配体上形成了M⁺(SO₂)^-“离子对”复合物,且该分子中的Zn-O键以及Cd-O键均表现出强的极化共价性．而Hg原子在与SO₂反应中所表现出来的惰性可由其较强的相对论效应所致的6s价电子层收缩与高电离电位得以解     

NH2-MIL-53(Al)对氟离子的同时去除和检测

本文通过一种简单溶剂热法制备了氨基功能化的金属有机框架材料NH₂-MIL-53(Al),可用于同时去除和检测氟. 结果表明,NH₂-MIL-53(Al)对氟具有较强的捕获能力(202.5 mg/g)和较快的吸附速率,在15分钟内能将5 ppm的氟降低至饮用水标准下. 更为重要的是,氟离子和NH₂-MIL-53(Al)之间的特异性结合促使荧光配体NH₂-BDC释放,有利于通过与浓度相关的荧光增强效应实现对氟离子的检测. 同时,NH₂-MIL-53(Al)传感器具有检测范围宽(0.5∽100 μmol/L)、 选择性好和检测灵敏度高(检测限为0.31 μmol/L)等特点. 该传感器对实际水体中的氟检测具有理想的加标回收率(从89.6%到116.1%),进一步证明了其对实际含氟污水监测的可行性.     

SO5 SU2 SU2 U1 U1及SO5 U1 U1的矢量相干态表示

本文讨论了SO₅ SU₂ SU₂ U₁ U₁及SO₅ U₁ U₁的VCS表示.计算了SO₅ U₂ U₂的约化矩阵元,并利用K矩阵技术确定了SO₅权的多重度.     

基于紫外吸收光谱技术的混合气体SO2和H2S浓度的实时监测

采用紫外波段吸收光谱检测技术,实现了SO₂和H₂S混合气体各组分浓度的实时监测。在实验中选用氘灯为测试光源,MAYA2000Pro光谱仪用于采集数据。基于光谱的峰谷特性,选择吸收光谱上波长非常接近的两个来推导SO₂气体的浓度公式,该方法可以忽略其他气体散射和吸收的影响。H₂S气体的吸收光谱可以通过减去混合气体中相应的SO₂气体吸收光谱获得。在常温常压下,H₂S气体的浓度可以从H₂S气体的吸收光谱的吸收峰获得。混合气体的测量精度约为1×10^-6(1 ppm)。基于上述方法,实现了混合气体SO₂和H₂S浓度的实时监测。     

CS2燃烧火焰光谱辐射模型的构建与特征污染产物浓度反演研究

CS₂在当今化工等领域占据了重要地位,而CS₂火灾污染事故危害性极大。通过研究CS₂燃烧火焰光谱辐射以探究其火灾污染特性极为必要。搭建了CS₂燃烧火焰光谱测试平台,采用黑体辐射源对VSR仪器进行了标定,通过多用途傅里叶变换(VSR)红外光谱辐射仪测试了5,10和20 cm三种燃烧尺度下CS₂燃烧的火焰光谱,并通过热电偶测试了整个燃烧时间段内不同燃烧时刻下的火焰温度,以及在火焰上方安装了烟气分析仪对火焰中的燃烧产物浓度进行监测。测量了CS₂整个燃烧时间段内火焰温度,以及不同燃烧时间、不同燃烧尺度下的火焰光谱、燃烧产物组分信息。测试结果表明,CS₂火焰中主要含有高温SO₂,CO₂,CO气体和空气中卷入的H₂O分子,并获取了特征污染产物SO₂的浓度。由于现有光谱仪测量分辨率有限,室内实验测量的火焰尺度有限,为了能实现火灾在线监测需要建立一个火焰光谱辐射模型来反演CS₂火灾时的污染物浓度相关信息。基于HITRAN数据库可知在2.7 μm附近为高温水蒸气的发射峰,4.2 μm附近特征峰为高温CO₂气体的发射峰,4.7 μm附近有CO微弱的发射峰,在7.4 μm附近特征峰为高温SO₂气体的发射峰,并获得了CS₂燃烧时产生的SO₂,CO₂,CO和H₂O气体在火焰燃烧相同温度下的吸收系数,通过计算得到了CS₂燃烧时产生的SO₂,CO₂,CO和H₂O混合气体的透过率与发射率,并结合气体辐射传输方程、气体吸收系数等方程,创建了CS₂燃烧的火焰光谱辐射模型。利用该光谱辐射模型反演了不同燃烧时间下特征污染产物SO₂的浓度,并与实验测得的数据进行了对比分析。结果表明,该模型精度高,可用于燃烧产物浓度的定量化反演,SO₂分子含量在燃烧时间20,40,60和80 s时的反演精度分别是89.5%,82.5%,85.6%和86.5%。为遥感反演CS₂型大尺度火灾中燃烧产物的浓度奠定基础。     

大气SO2柱总量遥感反演算法比较分析及验证

卫星遥感技术已成为城市污染气体SO₂监测和全球火山活动监测及预警的重要手段. 目前新的PCA (principal component analysis)算法有效减小了反演数据噪声, 并替代之前业务算法BRD (band residual difference)用于边界层SO₂柱总量产品的反演. 然而, 目前对PCA算法反演产品精度的评价和验证研究较少, 缺少与BRD算法产品进行长时间序列的比较以评估算法适用性, 尤其在中国大气污染重点城市区域. 本文利用地基多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS)观测及多尺度空气质量模式系统(RAMS-CMAQ)大气化学模式模拟等数据, 评估PCA和BRD 反演算法的精度及误差. 另外, 选取洁净海洋地区、中国大气污染重点城市区域和高浓度火山喷发三种情况, 比较分析PCA 与BRD SO₂ 总量的时空格局变化差异及对不同SO₂总量下的适用性, 并对两种算法反演不确定性进行分析讨论. 结果表明, 在中国京津冀、珠江三角洲和长江三角洲区域, PCA SO₂总量反演值低于BRD, BRD反演结果更接近于地基的MAX-DOAS观测值, 冬季BRD和PCA SO₂总量值低于RAMS-CMAQ 模拟结果, 夏季7月和8月BRD SO₂总量值高于RAMS-CMAQ 模拟结果. 在SO₂总量接近于0 值的洁净海洋地区, PCA 算法产品噪声水平低于BRD算法, 但PCA 反演结果整体偏差大于BRD算法. 在高浓度火山喷发情况下, 当SO₂总量大于25 DU时BRD SO₂总量反演值低于PCA, 且随着SO₂ 总量增大, 两种算法反演值差异亦增大. 该研究对于OMI (Ozone Monitering Instrument) SO₂产品的应用具有重要的参考价值, 通过分析不同反演算法的差异及对其不确定性追因, 对于算法改进研究也具有重要的科学意义.     

差分吸收光谱FFT+FT频谱细化方法研究

利用差分吸收光谱法（DOAS）可以实现污染气体的在线监测。为了提高监测精度,通常利用傅里叶变换滤波法（FFT）处理差分吸收光谱数据,但是因其频率分辨率的限制,影响其幅值精度,导致气体浓度的测量误差较大。提出了一种将FFT和FT相结合的差分光谱数据处理方法（FFT+FT）,首先对差分吸收光谱数据做FFT变换,得到其全景谱,再对峰值点附近的频谱用改进的连续FT进行细化,提高特征吸收频段的分辨率,对幅值误差进行补偿,从而提高气体浓度在线监测的精度。实验配制了不同浓度的SO₂和NO₂气体,当细化倍数为15时,SO₂和NO₂气体的最大测量误差不超过3.68%和3.17%,相对于FFT法,平均误差分别降低了1.82%和1.45%;相对于传统的多项式拟合法,平均误差分别降低了14.9%和1.80%;对恒定浓度的SO₂和NO₂气体分别进行了多次测量,验证了FFT+FT方法的稳定性。分析了细化倍数对测量精度的影响,当细化倍数小于15时,浓度测量误差随着细化倍数的增加而降低;当细化倍数从15增加到20时,误差反而逐渐变大,在大于20以后,误差出现波动,且都大于细化倍数为15时的测量误差。由于细化倍数太大,使谱线过于密集,找到频谱序列最大值的概率降低了,因此在有噪声的情况下采用该法进行频谱校正时,会出现细化倍数加大而测量精度反而降低的现象。确定了最优细化倍数,在确保测量精度前提下,使频谱细化的计算量最小,满足DOAS法实时在线监测气体浓度的要求。     

低碳化学品火焰红外光谱辐射特性研究

低碳化学品火灾事故风险高、危害极大,探究低碳化学品火焰光谱特性对探测识别该类火灾危害污染意义重大,但目前国内外对大型低碳化学品火灾事故产生有毒、有害的硫化物（SO_X）和氮化物（NO_X）气体等相关研究较少。通过搭建1.2～12 μm红外波段火焰光谱测试实验平台,对二硫化碳、92#汽油和酒精进行5,14和20 cm三种不同燃烧尺度火焰光谱测试,探究火焰燃烧尺度对高温火焰分子辐射光谱的影响。随着燃烧尺度的增大,火焰辐射强度增强和特征波段出现增宽现象。分析5 cm 燃烧尺度下四种典型化学品中液化天然气（LNG）、丙烯腈、乙腈和95#汽油不同的火焰光谱特征。通过用傅里叶变换红外光谱仪测量高温黑体炉的不同温度,对火焰光谱信号进行辐射定标,得出准确的辐射定标系数,从而得到高温火焰分子发射的辐射亮度值。并且与HITRAN数据库模拟大气压1 atm、温度1 300 K单一的SO₂,H₂O,CO₂和NO₂分子辐射光谱进行对比分析。其中高温火焰分子光谱主要有7.3～7.6,8.7和4.0 μm SO₂波段、1.8～2.1和6.4 μm H₂O波段和4.2～4.6 μm CO₂波段,以及2.5～2.9 μm H₂O和CO₂共同波段。高温NO₂气体未达到红外光谱仪的检测限,通过HITRAN数据库模拟可知6.0～6.4,3.4和2.4 μm NO₂波段。为了进一步区分各种化学品火焰光谱,对定标后的火焰光谱信号进行归一化处理,用db2小波基函数进行6层分解得到高频部分近似系数和低频部分的细节系数,通过对比不同化学品高温火焰光谱的近似和细节系数的差异。结果表明,二硫化碳火焰光谱特征和小波分析的化学品火焰光谱特征,可作为区分低碳化学品与油料重要依据,并为后续遥感探测低碳化学品特征污染物、组分浓度反演以及识别评估其污染危害奠定重要基础。     

中红外空心Bragg光纤的制备及在气体传感中的应用

空心Bragg光纤可广泛用于气体传感, 但要求它的传输通带处于中红外波段, 以便与待测气体的基频吸收峰匹配. 本文提出了空心Bragg光纤传输通带的一种设计方法与波长控制工艺, 可以实现传输通带在2.5-12 μ m内任意波长的空心Bragg光纤的制备. 实验制备出一阶传输通带分别在10.6 μ m和 3.3 μ m的光纤样品, 利用截断法测量出其一阶传输通带损耗分别为5.9 dB/m和8.8 dB/m. 利用在传输通带在3.3 μ m的样品中注入和排出甲烷/氮气混合气体, 观察到了光纤样品透射谱随注入气体浓度的变化, 并用指数稀释法初步测量了该系统的浓度探测极限约为26 ppm, 验证了该光纤应用于气体传感的可行性.     

深紫外波段苯的差分光学吸收光谱DOAS定量方法研究

取代基通过取代苯环上的H原子形成不同苯系物（苯、甲苯、二甲苯等）,其共有结构苯环上的不固定π键电子受到激发,使得苯系物在紫外波段240～280 nm具有明显的特征吸收结构,鉴于此大气中的苯及相关的苯系物可以通过差分光学吸收光谱（DOAS）方法来进行定量,但采用该波段测量需要考虑以下问题：首先是氧气（O₂）的吸收干扰问题,苯(C₆H₆)在该波段的吸收截面与O₂在243～287 nm Herzzberg带相互重叠,且O₂的特征光谱结构随O₂的浓度不同而变化, 导致O₂的吸收光学密度与O₂的浓度不成线性关系。其次,苯系物结构上的相似性使其在紫外波段的特征吸收结构差别较小并且相互重叠,从而对C₆H₆的拟合产生干扰。此外,除了O₂和苯系物以外,还有臭氧（O₃）、二氧化硫（SO₂）等干扰。C₆H₆在195～208 nm的深紫外波段具有较大的吸收截面（2.417×10-17 cm2·molecule-1）,为240～260 nm处截面大小（2.6×10-18 cm2·molecule-1）的9倍左右,针对C₆H₆在深紫外195～208 nm波段的吸收特征,开展便携式DOAS定量方法研究,采用该波段进行C₆H₆的光谱定量分析并应用到实际的外场观测。通过建立C₆H₆与干扰气体SO₂,氨(NH₃),二硫化碳(CS₂)和一氧化氮(NO)的差分吸收截面的二维相关性矩阵,获取C₆H₆光谱定量的最优反演波段。通过开展实验室条件下C₆H₆,SO₂和NH₃不同浓度配比的混气实验对195～208 nm波段反演C₆H₆的效果进行评估。实验结果显示,采用195～208 nm波段进行光谱反演的探测限为17.6 μg·m-3,光谱反演浓度与理论浓度的相对测量误差均小于5%且RSD（相对标准偏差）小于3%,同时与240～260 nm波段反演结果进行对比,相对误差小于5%。在外场实际情况下,利用便携式DOAS系统获取190~300 nm的大气测量光谱,通过DOAS方法解析并结合GPS信息,获得了某化工园区C₆H₆的污染浓度分布,实验结果表明采用195～208 nm深紫外波段同样能适用于对C₆H₆的光谱定量,与240～260 nm波段反演结果进行对比,二者的相关性达到了0.98且相对误差小于10%。     

污染气体浓度二维空间分布的紫外成像方法

介绍了一种新型的、针对污染源中特定污染气体在紫外波段的成像方法,该方法基于朗伯比尔吸收定律,结合紫外带通滤光片分光,能以较高的时间分辨率和空间分辨率直观再现污染气体浓度在空间的二维分布。以SO₂气体作为研究对象,在实验室内搭建了测量系统;阐述了该成像技术的测量方法,分析了该方法的线性响应,实验结果表明该方法的线性响应良好,响应系数R2高达0.985;探讨了该成像方法在不同成像区域内的灵敏度变化,其差异在1%～3%;讨论了成像方法获取柱浓度的准确性,实验室分析结果显示误差约为1%, 准确性较高;最后分析了该成像方法的检测限并且根据线性最小二乘拟合方法解析出目标气体SO₂在样品池横截面上的二维空间分布。     

便携式非分光红外SF6气体检测方法研究

为了满足电力系统中对SF₆气体精确测量的需求, 基于非分光红外差分检测原理, 设计了一种便携式的SF₆气体传感器。系统采用单光束双波长结构, 对直射式和梯形反射式气室进行光学仿真, 最终确定了气室类型, 提高了系统的紧凑性和灵敏度。在电路方面设计了一种小信号放大滤波电路, 有效地将有用信号从噪声中提取出来; 传感器采用高精度高性能模数转换器将模拟电信号转换为数字信号送入单片机处理, 大大提高了检测精度。实验结果表明, 该传感器能够准确检测体积分数为0~2×10-3范围内的SF₆气体, 满量程精度可达4.2%。     

基于离轴腔增强吸收光谱双组分CH4/H2O高灵敏度探测研究

H₂O和CH₄在气候变化过程中起着关键作用,实时在线测量H₂O和CH₄浓度一直都是国内外学者研究的热点问题之一。利用1.653 μm可调谐半导体激光器作光源,结合反射率为99.997 6%的两片高反射镜组成离轴腔增强吸收光谱装置,开展了H₂O和CH₄的高灵敏度测量研究。离轴腔增强系统的有效吸收光程通过吸收面积-浓度关系法来标定,吸收面积-浓度关系法的可行性首先通过已知光程的光学吸收池进行验证,确定有效后用于标定离轴腔增强系统的有效光程。结果表明,基长为21 cm的离轴腔增强系统的有效吸收光程达到了8 626.3 m。当谐振腔内压力为5.06 kPa时,利用7组不同浓度的CH₄标准气体（0.2～1.4 μmol·mol-1）对系统进行了线性响应标定测试,得到了CH₄吸收的积分面积与浓度拟合关系曲线。系统的稳定性、可实现的最小探测灵敏度等信息通过Allan方差进行分析,结果表明系统对探测CH₄的最佳平均时间为100 s,最小可探测浓度极限为7.5 nmol·mol-1;系统对探测H₂O的最佳平均时间为200 s,最小可探测浓度极限为55 μmol·mol-1。对提高系统测量精度的数据处理方法也进行了分析研究,结果表明相比于多次平均方法,Kalman滤波能显著的提高测量精度,而且缩短了系统的响应时间。最后,利用搭建的离轴腔增强实验系统结合Kalman滤波数据处理方法对实际大气中CH₄和H₂O浓度进行了连续两天的测量,CH₄每天平均的浓度分别为2.1和2.08 μmol·mol-1,H₂O每天平均的浓度分别为11 515.6和11 628.6 μmol·mol-1,由此可知建立的离轴腔增强吸收光谱装置能够用于大气CH₄和H₂O的测量,另外建立的系统也可用于相关工业领域的高灵敏度CH₄和H₂O监测。