差分傅里叶变换红外光声光谱大气污染气体检测研究

差分傅里叶变换红外光声光谱大气污染气体检测研究
随着科学技术发展和人们生活水平的提高,大气污染这一危害着人类生产生活的问题受到了社会各界普遍关注,与之相关的分析测量技术也得到了蓬勃发展。

光声光谱技术作为一种新型无损检测技术,以检测灵敏度高、动态范围大、背景噪声低、样品无需前处理和实验系统简单等优势著称,成为光谱分析检测技术的重要分支,已成功应用于农业、医药、化工、生物工程等诸多领域。

本论文运用傅里叶变换红外光谱仪,设计并制作了高性能气体光声池,结合差分检测模式,构建了步进式差分傅里叶变换红外光声光谱（Fourier Transform Infrared Photoacoustic Spectroscopy,FTIR-PAS）系统,实现了对几种典型大气污染气体的高精度定量检测。

在高噪声和强吸收背景气体影响下,差分FTIR-PAS技术提取了微弱吸收痕量气体的信息,有效抑制了气体红外光谱检测领域中水蒸气分子复杂吸收特性的强烈干扰。

具体研究内容如下:首先,推导了单模式和差分模式下气体
FTIR-PAS理论,结果表明由气体分子吸收光能量而产生的FTIR-PAS 幅值信号与目标气体浓度成线性正比关系,这一结论为后续实验提供理论参考;FTIR-PAS相位信号与气体弛豫时间相关。

理论上证明了差分模式可有效地消除相干噪声的影响并排除与目标气体吸收峰重叠的背景气体成分的干扰,可显著提高系统的信噪比和目标气体检测灵敏度。

该方法有望在强噪声背景的干扰下,提取出微弱痕量目标气体的有效吸收信息。

其次,T型光声池的设计与制作。

光声池作为光声光谱系统的核心组件,对系统性能的优劣有着决定性影响。

本研究采
用有限元仿真软件对多种类型光声池进行建模仿真,比较结构和几何
尺寸参数对光声池性能参数的影响,结合所应用的傅里叶变换红外光
谱仪样品室的具体条件,最终确定采用T型光声池。

基于上述仿真结
果制作了T型光声池,并采用时谐调制激光对其性能进行验证。

实验
结果表明该光声池的幅值和相位的均与仿真结果吻合,共振频率为
342 Hz,品质因数为83.5,光声池常数为2063 Pa·cm^-1·W。

通过仿真建立了半经验边界条件,推导出T型光声池共振频率的理论
表达式,避免了复杂仿真计算造成的时间浪费。

再次,步进式单模式和差分模式FTIR-PAS系统的搭建。

在现有的傅里叶变换红外光谱仪的
基础上,架设单个或两个相同的T型光声池分别构建单模式和差分模
式系统。

在差分模式下采用了单面镀反射膜的斩波片以避免传统方式中分光镜对入射光的分束,最大限度地提高入射光的利用率,实现对
两T型光声池入射光的反向调制。

其中一光声池（样品池）充满样品气体,另一个光声池（参考池）充满背景气体（如氮气、洁净空气等）,将两光声池的光声信号进行求和运算,实现了差分FTIR-PAS检测系统。

最后,应用步进式单模式和差分式FTIR-PAS实验系统,对典型大
气污染气体二氧化碳和乙炔开展了定量分析检测。

第一组实验检测了二氧化碳和氮气的混合物,差分模式系统的信噪比高于单模式的两倍。

入射光在2349 cm^-1处能量为12.6μW,单模式和差分模
式系统对二氧化碳气体的理论检测灵敏度分别为4 ppmv和2ppmv,定量检测极限分别为35 ppmv和17 ppmv。

该实验结果证实了差分模式有效消除系统相干噪声,极大程度提高了系统信的噪比和检测灵敏度。

在两种模式下,FTIR-PAS幅值信号均与二氧化碳浓度成正比,且线性度良好;FTIR-PAS相位信号由二氧化碳的弛豫时间决定,说明该方法亦可应用于气体弛豫时间的测量。

第二组实验检测了乙炔和空气的混合物。

当检测样品为100 ppmv乙炔-空气的混合物时,单模式下乙炔的吸收信息完全淹没在水蒸气分子的强吸收背景下,无法提取有效信息;差分模式下消除了水蒸气强吸收的影响,乙炔的吸收峰及吸收谱线包络清晰可见。

入射光在1360 cm^-1处能量为30μW,差分模式系统对乙炔的理论检测灵敏度为4.5 ppmv,定量检测极限为17 ppmv。

在浓度范围为5,000¹00 ppmv内,FTIR-PAS幅值信号与乙炔气体浓度成正比。

该实验结果验证了差分模式可成功地消除背景气体的强烈干扰,探测出痕量气体信息。

综上所述,差分模式能够抑制相干噪声和消除与目标气体吸收峰信息相互重叠的背景气体强吸收的影响,提取出微弱痕量气体信息。

T型光声池增强步进式差分FTIR-PAS技术是一种检测精度高和检测范围广的定量大气污染气体检测方法。