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原文传递一种吸收光谱气体传感领域自加宽效应的修正方法

专利名称：	一种吸收光谱气体传感领域自加宽效应的修正方法
摘要：	本发明公开了一种吸收光谱气体传感领域自加宽效应的修正方法，是一种基于Lambert‑Beer吸收定律的分析检测气体浓度的方法，通过充分考虑气体自加宽对吸收光谱的影响，所形成的吸收光谱分析法检测气体浓度的修正方法，属于气体传感领域。此方法认为吸光度与气体浓度并不是正比关系，应作一定的修正，并将气体自加宽对线宽以及吸光度的影响作为必要的影响因素，应用此方法，可以提高待测气体浓度的测量精确度。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	山东;37
申请人：	山东大学
发明人：	孙稼琛;常军;张秦端;宫卫华
专利状态：	有效
发布日期：	2019-01-01T00:00:00+0800
申请号：	CN201810200528.1
公开号：	CN108489935A
代理机构：	济南金迪知识产权代理有限公司 37219
代理人：	陈桂玲
分类号：	G01N21/39(2006.01)I;G;G01;G01N;G01N21;G01N21/39
申请人地址：	250199 山东省济南市历城区山大南路27号
主权项：	1.一种吸收光谱气体传感领域自加宽效应的修正方法，由以下系统来实现，该系统包括温控电流源、DFB激光器、光纤耦合器、取样气室、参考气室、光电探测器a和b、电流转电压模块、数据采集卡、计算机，温控电流源连接DFB激光器，温控电流源分为温度控制和驱动电流控制两部分，通过控制温度和驱动电流使得激光器输出光的频率位于测量相应气体浓度所需的中心频率处；DFB激光器的输出端通过光纤耦合器分别和取样气室及参考气室相连接，输出激光经光纤耦合器分光后分别进入取样气室和参考气室中，两气室通过光纤分别连接到光电探测器a和b的输入端；光电探测器a和b的输出端分别连接到电流转电压模块，电流转电压模块和数据采集卡的输入端相连接，数据采集卡连接到计算机并将采集到的信号输入到计算机中进行分析，该方法的步骤如下：1)连接好上述系统，打开DFB激光器、温控电流源、计算机及各模块电源，在取样气室中注入待测气体和背景气体，在参考气室中只注入背景气体；2)温控电流源通过控制DFB激光器的温度和驱动电流进而控制输出光的中心频率；DFB激光器发出的光经过取样气室，取样气室中的待测气体对光的吸收遵循Lambert‑Beer定律：其中α(ν)是吸光度，ν是光频率，It(ν)是透射光强，I0(ν)是入射光强，Si为线强，Φ(ν,ν0)是线性函数，p是总压强，xj是待测气体浓度，L是吸收光程；DFB激光器发出的光经过参考气室，入射及透射光强均为I0(ν)，由式(1)可知，根据实验测得的It(ν)、I0(ν)计算待测气体浓度xj，重点在于计算线性函数Φ(ν,ν0)：其中△νc是碰撞加宽的半高宽；通常我们是在p＝1atm,T＝296K条件下测量，这时由气体分子间碰撞引起的谱线加宽占据主导地位，碰撞加宽半高宽为其中τ是气体分子间的平均碰撞时间，τab是气体a分子和b分子间的平均碰撞时间，τaa是气体a分子间的平均碰撞时间；τ_ab考虑异类气体加宽：τ_aa考虑气体自加宽：其中(4)、(5)式中的na和nb分别表示气体a和气体b的分子数密度，T表示气体的3)温度,k为玻尔兹曼常数，由理想气体状态方程p＝nkT可得到待测气体和背景气体的分子数密度，即n_a和n_b分别为：其中公式(6)中的右下标符号a和b分别表示气体a和气体b，n表示理想气体的分子数密度；Qab为气体a和b分子间的碰撞截面,Qaa为气体a分子间的碰撞截面：其中ra是分子a的半径，rb是分子b的半径；ma和mb分别为气体a和气体b每个分子的质量，分别表示为：NA为阿伏加德罗常数，Ma为分子a的摩尔质量，Mb为分子b的摩尔质量；故碰撞加宽半高宽可修正为：由(9)式可见，△νc与待测气体浓度xj呈线性关系，并非是常数；3)DFB激光器发出的光经光纤耦合器分光分别被取样气室和参考气室吸收后，经过光电探测器a和光电探测器b将光信号分别转换为两路电信号；两路电信号通过电流转电压模块将电流转为电压并传入数据采集卡，数据采集卡接收到的电压信号分别为U_t(ν)、U₀(ν)，则4)用计算机对数据采集卡接收到的电压信号进行处理及分析并进行修正，并基于(1)式运算得到待测气体的浓度，测量完毕后关闭激光器、温控电流源、计算机及各模块电源。
所属类别：	发明专利