TDLAS之氣體吸收譜線解析

2021-07-08 17:10:43

TDLAS之系統(tǒng)噪聲解析

TDLAS介紹

TDLAS即可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器吸收光譜技術(shù)。它是利用半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)可調(diào)諧，窄的線寬(線寬<10MHz)等特點(diǎn)，通過對(duì)吸收氣體分子的吸收譜線的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的各個(gè)參量的檢測(cè)。TDLAS具有靈敏度高，穩(wěn)定性好，探測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，通過與長(zhǎng)光程吸收技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高靈敏度的檢測(cè)。

二，吸收光譜概述

電磁波譜是將電磁波按頻率的高低進(jìn)行排序得到的，而光譜是電磁波譜中的一個(gè)特殊波段，分為紫外光，可見光，紅外光等波段?；跉怏w分子對(duì)光子的選擇吸收性，我們可以將吸收光譜用于氣體濃度的檢測(cè)，

分子內(nèi)部存在著三種運(yùn)動(dòng):價(jià)電子的運(yùn)動(dòng);原子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)一一振動(dòng);分子作為一個(gè)整體的轉(zhuǎn)動(dòng)。不同的波段分子的主要運(yùn)動(dòng)形式不同，遠(yuǎn)紅外波段主要是分子的轉(zhuǎn)動(dòng)光譜區(qū)，中紅外到近紅外主要是振動(dòng)光譜區(qū)，從可見光到紫外波段主要是外層電子躍遷譜區(qū)，

從量子的角度，我們知道:物質(zhì)分子具有一系列分立的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的能量值不同。各能級(jí)由于能量的不同，分處于低能級(jí)和高能級(jí)。分子只有從外界吸收能量，才能實(shí)現(xiàn)從低能態(tài)能級(jí)到高能態(tài)能級(jí)的躍遷。但并不是任何能量都能被物質(zhì)分子吸收，只有當(dāng)入射光子的能量等于兩分立能級(jí)的能量差時(shí)，物質(zhì)分子才會(huì)發(fā)生躍遷。

由于不同的氣體分子其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，分子發(fā)生躍遷需要能量不同，當(dāng)輻射光子的能量hv等于兩躍遷能問距差時(shí)，分子發(fā)生躍遷，吸收光子，一種分子僅對(duì)特定頻率的光子有吸收。

AE=hv=h(c/r)

式中，h為普朗克常量，c是真空中光速，r是光波長(zhǎng)，v為頻率。

一束光通過氣體以后，由于氣體分子的吸收作用，光強(qiáng)會(huì)衰減，吸收光譜技術(shù)就是通過檢測(cè)光束通過氣體介質(zhì)前后的強(qiáng)度變化情況來對(duì)介質(zhì)的組分，各組分的濃度信息進(jìn)行檢測(cè)。

三，比爾-朗怕定律

一束強(qiáng)度已知的光，通過充滿某種氣體的介質(zhì)前后光強(qiáng)的變化，可以由比爾-朗伯定律給出，它是研究激光吸收光譜技術(shù)最核心的埋論基礎(chǔ)。

常用的表達(dá)形式:

mL-PL.x.S(T)-dv)

其中，1為克通過介周后的出時(shí)光強(qiáng)，為入財(cái)光強(qiáng)。Lem)為吸表路徑總長(zhǎng)度(在介質(zhì)中的總光程)，為氣體吸收系敗，它與氣體壓強(qiáng)P(um)..氣體的摩爾分?jǐn)?shù)(巹度)X。氣體分子的吸收情線強(qiáng)度S(T)(e-/tm)、氣體在一定頻串v處的段收線型函數(shù)gi)(m)有美。

經(jīng)過變形，從而可以得到氣休濃度X的表達(dá)式:

n

X:P-L-S(T)-g(v)

通過檢測(cè)光束通過吸收介質(zhì)前后的光強(qiáng)值，就可以間接推導(dǎo)出氣體的濃度。

四，吸收譜線的線型

線型函數(shù)是描述分子能級(jí)躍遷產(chǎn)生的吸收譜線形狀的分布函數(shù)，它是以躍遷處的頻率為中心而分布的圖形。在吸收線中心達(dá)到最大，稱之為線強(qiáng)，而譜線的半高全寬度，稱為線寬。是TDLAS測(cè)量中的重要參數(shù)。

由分了光譜理論可知，以頻率為橫坐標(biāo)，頻率相對(duì)值為縱坐標(biāo)，吸收譜線理想情況下，應(yīng)該是一條沒有寬度的幾何線，即對(duì)于確定的氣體來說，一條譜線對(duì)應(yīng)特定的頻率。實(shí)際中，由于物質(zhì)本身特征及實(shí)驗(yàn)條件的影響，吸收譜線常常是一條有寬度的線，即出現(xiàn)了譜線的展寬。譜線寬度示意圖如下所示:

造成線寬出現(xiàn)不同的原因有很多，有溫度，壓力，分子密度等。起主導(dǎo)作用的因素不同時(shí)，產(chǎn)生的線寬不同，用來描述吸收譜線的線性函數(shù)就不同。根據(jù)譜線展寬形成的原因，可以將譜線展寬分為自然展寬，多普勒展寬和碰撞展寬三類。

其中，由熱力作用引起的多普勒展寬，由分子碰撞作用引起的碰撞展寬是譜線展寬的主要因索，自然展寬影響相對(duì)較小，可忽略不計(jì)。下面將作詳細(xì)介紹:

(1)Gaussian線型

對(duì)于平衡狀態(tài)下的氣體，被測(cè)分子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)遵循麥克斯韋-玻爾效曼分布。由分子熱運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的多普勒頻移即多普勒展寬可由高斯線型描述，

式中，An,為戰(zhàn)重，

可表示為:

其中，k為玻爾效曼常量，T為氣體溫度，c為光速m為分子質(zhì)盤，M為摩爾分子質(zhì)量。

(2) Lorentzian線型

當(dāng)氣體壓強(qiáng)增大，組分分子之間的碰撞頻率加快，進(jìn)而導(dǎo)致分子吸收線展寬。在高壓情況下，碰撞加寬的影響相較于多普勒加寬更為明顯，高斯線型不再適用，而采用Lorentzian線型描述更為合適。

Ar

其中，線寬av,為:

0N:=2PZx,y

其中。P為總壓力，工為碰摘?dú)怏w成分的摩爾分子數(shù)，V為由磁掩氣體晚分j擾動(dòng)引起的碰準(zhǔn)展究則數(shù)，y可以酒過查詢HITRAN數(shù)據(jù)席得到