一种高精度红外二氧化碳检测模块设计.pdf

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1、《自动化与仪器仪表》2016年第9期(总第203期)一种高精度红外二氧化碳检测模块设计术谭旭晖，白丽丽，隋峰(中国船舶重工集团公司第七一。研究所湖北宜昌，443000)摘要：在研究土壤和植物呼吸作用的过程中，需要对co，浓度开展实时有效的监测。提高c0：浓度的测量精度具有十分重要的意义。文章基于朗伯一比尔原理，采用单光束双波长的检测方法，提出了一种椭球型聚焦的的反射吸收池，有效地提高了检测信号的强度和测量精度。测试结果表明，cO：检测精度达到30ppm。关键词：cO：检测；光谱吸收；红外；朗伯一比尔定律中图分类号：TH702文献标识码：ADOI编码：10．14016／j．cnki．1

2、00l一9227．2016．09．019Abstract：Inthestudyofsoilandplantrespiration，itisnecessarytomonitorreal—timeC02concentmtioneffectively．ImpmVingC02measurementaccuracyissignificant．BasedonLambert—Beerprinciple，thispaperutilizessingleopticaldual—wavelengthdetectionmethods，andpmposedaellipsoidfocusedI．enection

3、absoIptionpool，whjchefI’ectjvelyincreasesthesignaJintensityandaccuracy．ResultshowsthatC02measurementaccuracyisupto30ppm．Keywords：C02concentrationdetection；spectralabsorption；infrared；Lambert—Beerprinciple0引言在研究土壤和植物呼吸作用的过程中，对c0：的检测是至关重要的一环。通过检测C0：的浓度，可以计算出其呼吸强度⋯。对土壤cO，释放量的准确测量是评价生态系统中生物学过程的关键12

4、1。因此，提高C0：测量的精度是一项非常重要的研究课题。在众多测量方法中，红外吸收光谱法以其高灵敏度、响应快、无耗材等优点成为了被广泛采用的方法‘3‘4。。目前国际上能够做到对c0：进行高精度测量的产品较少，如美国LI—c0R公司的LI一6400便携式光合作用测量系统测量精度可达5ppm口1，其缺点是价格昂贵、操作复杂。目前市场上常见产品的测量精度一般在几十至几百ppm，如GE公司的TelaireT6615模块，测量精度能达到75ppm。⋯。本文在传统红外光谱吸收的基础上，利用单光束双波长技术，从原理上推导了高灵敏度c0：的计算公式，并设计了一种新型的检测模块，使得C0：的检测精度可

5、达30ppm。1红外C0：浓度检测原理当光线穿过气体时，气体分子会对光进行选择性吸收，每种气体只吸收特定波长的光。吸收前后的光强满足朗伯一比尔(Lambert—Beer)定律‘7“1：，=厶e““(1)其中，为吸收后的光强，，o为吸收前的光强，％为气体对光线的吸收系数，C为气体浓度，L为光走过的路程。由公式(1)可得到气体浓度与光强间的关系：c一如毒(2)直接利用公式(2)很难准确求出气体浓度，主要有以下几方面原因：①红外光源不稳定造成的信号变化会淹没掉气体浓度信号的变化；②光学窗口片和滤光片的通过率对结果有影响；③气室内的灰尘会影响检测结果。收稿日期：2016一03一10+基金项目

6、：湖北省科技支撑计划项目(2叭4BEC088)作者简介：谭旭晖(1988一)，男，湖北宜昌人，硕士，助理工程师，从事机械结构设计及光学设计方面研究。为了克服以上困难，可以采用单光束双波长技术∽。，即采用c0：没有吸收的波段作为参比信号，采用c0：吸收作用较强的波段的响应信号作为浓度信号。两信号可分别表示为：fDl=，1(AI)e“^扎M。丁l(AI)，．、lD：=，2(A：)e“2¨2’吐疋(A：)、。其中D。、D：是探测器接收到的辐射量，南。(A)、南：(A)是波长为A时气体的吸收系数，r。(A)、咒(A)是光路的光强比例常数，受光学窗口片和滤光片的通过率影响。单光束双波长技术一般

7、由探测器端外加两片窄带滤光片实现。假定参考信号波长A。是由中心波长4um、半功率带宽100nm的滤光片得到，浓度信号波长A：是由中心波长4．26um、半功率带宽100nm的滤光片得到。由于c0：不吸收参考信号波长带宽范围内的光谱；而在浓度信号波长带宽范围内，分布着不止一条c0：吸收谱线，所以(3)式可进一步表示为：『Dl2“A)r·(A·’f4)【D2=“，2(A)e“22¨∞’。‘疋：(A：：)+(1一d)厶(A)t，(A：。)、’其中，A：：表示带内c