论文部分内容阅读
二氧化碳和水汽是实际大气中的重要组成部分,两者对生物圈植被生长起着调节作用,同时测量二氧化碳和水汽关于时间和空间上浓度的变化对了解生物圈中碳循环、水循环以及能量循环的运转机制和生物圈理论模型的建立都起着至关重要的作用。本论文主要对基于中空光纤传感器的实际大气二氧化碳和水汽浓度检测技术进行研究。首先搭建了一套基于单通池的可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）气体测量装置,将其各项性能与之后的中空光纤传感器作对比。实验利用Hitran2012数据库数据对实验波段范围内二氧化碳以及水汽吸收进行仿真,选择不被水汽吸收干扰的3663.85 cm-1处的二氧化碳吸收峰作为实验吸收峰。测量了下降阶段系统的10?90%响应时间tr为38 s,系统的0?10%延迟时间td为10 s,系统的测量精度为44.5 ppmv,相对精度为3.9%,通过Allan方差可得到系统的稳定时间为72 s,Allan方差探测极限为7.8 ppmv,对应吸光度为5.3×10-5。中空光纤具有低损耗、可弯曲、体积小等特点,相比于相同光程的多通池,中空光纤作为气池能够有效减小测量系统的体积以及提高系统响应时间,在光谱吸收测量系统中是一种很理想的气池。为了提高系统的探测极限,之后设计了一种在低压下工作的中空光纤传感器。研究了扫描频率对信号波动的影响并得到当扫描频率为30 Hz时信号波动最小;研究了压强与二次谐波（2f）峰值之间的关系,获得当压强为165 torr时2f信号最强,相比于常压,压强为165 torr条件下的系统探测极限提高了14.5倍;测量了传感器在下降阶段系统的10?90%响应时间tr为9 s,系统的0?10%延迟时间td为2 s,该系统的响应时间相比单通池系统响应时间要快4倍;系统的测量精度为28.5 ppmv,相对精度为1.4%,该系统相对精度比单通池系统高2倍;由Allan方差可知该系统的稳定时间可以达到431 s,该系统的稳定时间比单通池系统长6倍,对应CO2系统Allan方差探测极限为1.17ppmv,对应吸光度为9.7×10-6,系统分辨率比单通池系统高5.5倍;最后在冬季和春季的某天将该传感器用于实际大气中二氧化碳和水汽的实时测量,利用Kalman滤波器对实验数据进行处理,得到当采集平均时间为1 s时,CO2和水汽的测量精度可以达到13.28 ppmv和0.0229%。