基于WMS技术的机动车尾气CO和CO2同时监测

评价，认为在系统积分时间为2s时，CO和CO2的最低检测限分别为0.76×10^-6和0.89×10^-6，所用激光传感器系统的精度满足机动车尾气的测量要求。

关键词：波长调制光谱;机动车尾气;同时监测

中图分类号：X51 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）14-0070-04

1引言

二氧化碳（C02）是重要空氣的组成成分，也是产生“温室效应”的主要罪魁祸首，而一氧化碳（CO）是重要的空气污染物，二者的主要来源为化石燃料的燃烧以及机动车尾气的排放等，随着国民经济的飞速发展，居民汽车拥有量的爆炸式增长，使得机动车尾气中的CO和CO2对环境质量的影响越来越严重，这些机动车辆排放的影响远远超出局部地区，成为增长最快的温室气体排放源，对人类的健康和自然资源构成了极大威胁。因此，对汽车尾气中的CO和cO2浓度进行实时精准的监测，能够帮助环保部门对气体污染物进行监督管理和控制排放，对环境保护有积极的意义。

基于可调谐激光吸收光谱技术（Tunable Laser ab-sorption spectroscopy，TDLAS）的激光传感器系统凭借高灵敏度、高分辨率和快速测量等优势在环境痕量气体监测领域发挥着越来越重要的作用。该类型的激光传感器系统以半导体激光器为核心，感兴趣的吸收波段有效覆盖近红外和中红外光谱区。而半导体二极管由于体积紧凑、鲁棒性强等优点，在痕量气体的实地测量中应用前景广阔。美国Hanson课题组的R.M.Spearrin等人选取中心波数为2394.4cm^-1和2060.2cm^-1的QCL激光器对超音速发动机燃烧过程中CO和COz的浓度进行了持续监测;安光所的涂兴华等人在讨论了吸收谱线的线型基础上对线型函数和波长调制光谱技术（wavenumber Modulation Spectroscopy，wMS）的调制幅度进行讨论，并验证消除背景信号在光谱测量中的重要性;TINGDONG CAI等人有效分离中心波长为1579.74nm和1579.57nm的CO和CO²交叉吸收峰，并利用wMS技术测量高温环境下的浓度;这些研究成果为本文提供了研究思路。为了有效提高机动车尾气中CO和CO²浓度同时检测的效率，本文提出基于wMS技术的2f/1f免校准技术利用双光路用于机动车尾气中CO和CO²浓度的原位同时检测。

2理论基础

WMS技术的理论基础为伯一比尔定律。对于光学薄的情况下（吸光度a（V）<0.1），朗伯一比尔定律可表述为透射率r（V）与吸光度a（u）如公式（1）所示的关系式。

由公式（9）可知，当温度T、光程L和压强P不发生改变的情况下，对于固定的光程，Rzf/1f只与气体浓度呈正相关。因此，在当温度、光程和压强已知时，只需预先测量激光器的输出特性，即可实现WMS-2f/1f的浓度免校准测量。

3传感器系统设计

选择恰当的吸收谱线是测量的必要条件，根据Zhou提出的谱线选择原则，在HITRAN数据库中选取CO吸收峰的中心波数选择为4297.70cm-1，C02吸收峰的中心波数为_4989.97cm^-1，光程为100cm，压强为1atm，温度取300K，CO和CO2的浓度均取为1000ppm，如图1所示。由图1可知，选择的CO和C02吸收峰无气体间的交叉干扰，且根据HITRAN数据库可知CO和C02的吸收线强分别为1.306e^-21和2.938e^-21，强度满足测量要求。

锁相放大模块产生两路调制信号输出到激光驱动器，由驱动器负责将电压信号转换为电流信号并驱动激光器输出感兴趣波段的激光信号，输出的激光信号经自制的耦合器平行输出并穿过自制的气体池后，由光电探测器检测并转换电信号，两路信号传回锁相放大模块中进行解调。对解调后的信号进行数据处理和分析，即可求得待测CO和CO2的浓度。

4实验验证与结果分析

对激光传感器系统，测量结果的准确性和稳定性是重要的评价指标，因此利用标准气体对传感器系统进行测量。首先设置锁相放大模块的输出信号波形，锯齿扫描信号的频率设置为10Hz，正弦调制频率为5kHz，调制指数各设置为2.2。

利用气体分割器将CO标气（标气值：100×10^-6）、cO2标气（标气值：500×10^-6）和高纯N2标气按照进行多组分割，并进行测量。为了避免测量过程中随机误差的出现，每组待测气体的测量结果每10次取平均值作为最终测量的浓度值。不同浓度下CO和CO2的2f/lf吸收谱线如图3所示。

由图3可知，CO和CO2的2f/1f信号的形状基本不变，且信号幅值随浓度增加而增加。根据公式（9）可反演CO和CO2的浓度，对不同浓度的组合进行分析，建立反演浓度与实际浓度之间的线性关系式，如图4所示。

对图4进行分析可知，两种气体的线性度分别为0.999和0.9975，拟合度较好。

为了确定本激光传感器系统的测量稳定性，选取CO（25×10^-6）和CO2（75×10^-6）进行连续测量，每2s采集一次数据，连续采集1h的测量结果如图5所示。

根据Allan评价原理对测量结果进行分析，记纵坐标为激光传感器的灵敏度，对应的横坐标为积分时间。

5展望

本文通过WMS-2f/1f技术利用两支DFB激光器完成了对CO（4297.70cm^-1）和CO2（4989.97cm^-1）浓度的同时检测。根据2f/1f信号在调制幅度、温度和光程长度不变的情况下，信号幅值只与浓度呈正相关的特点，实现WMS-2f/1f免校准技术的无标测量，无需在激光传感器系统中设置参考光路，节省成本的同时缩小系统体积。此外，由于本传感器系统选用两支激光器完成了气体浓度的同时测量，因此，只需更换激光器即可实现其他种类两种气体的同时监测，系统便利性强，应用前景广阔。