第36卷，第1期 2016年1月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol.36,No.1:pp1-5
January,20f6
可在线校准的大气CO2浓度光声光谱监测系统研究
张建锋"，潘孙强，林晓露，胡朋兵，陈哲敏
1.浙江省计量科学研究院，浙江杭州310008 2，申国计量学院，浙江杭州310008
标准气体本身的不确定度以及与被测气体成分的不同、环境温湿度的变化，使得现场测量中谐振频率和池常数与实验室标定结果有偏差，从而导致测量结果不准确。为广解决以上间题，提出广基于大气中氧气的在线校准技术，并将该技术用于检测大气中二氧化碳浓度的光声光谱系统。大气中氧气浓度恒定为20.964%，通过探测氧气在763.73nm附近的扫频信号及峰值信号，实现共振频率和池常数的在线校准。该系统中光声池为直径6mm，长度100mm的一阶纵向共振模式结构。理论上分析了环境温湿度、气体成分对光声池性能的影响，同时给出了用标准气体、室内空气和室外空气标定的谐振频率和池常数，在标定结果的基础上，测量得到室内和室外的二氧化碳浓度值。实验结果显示，与校准过的气体分析仪的测量值相比，用被测大气中的氧气标定的谐振频率和池常数计算的二氧化碳浓度更准确，相对误差小于1%，远小于实验室标准气体标定计算的浓度相对误差。创新处在于，直接利用大气中的氧气对光声池的池常数和其振颖率进行在线校准，有效的减小了标准气体标定带来的误差，以及环境变化带来系统漂移，提高光声系统在线监测的准确性和可靠性。
关键词光声光谱；二氧化碳；氧气；在线校准
中图分类号：TH741文献标识码：A
引言
DOI: 10. 3964/j. issn. 1000-0593(2016 )01-0001-05
降低了池常数，牺牲了系统的灵敏度。国内外已有采用大气中的氧气对池常数进行标定的，但未解决频率漂移的间题5-7）。为解决以上间题，提出了基于大气中的氧气的池常
光声光谱法是一种理想的气体检测方法，具有检测灵敏度高，不受散射光影响的优点。近几年该技术发展了一些灵敏度更好的探测方法，如石英增强型的光声光谱。但光声光谱技术的在线监测稳定性还有待进一步研究和提高。光声光谱系统的调制频率(与谐振频率一致)和池常数（与Q值成正比)对于测量的准确性非常关键。通常采用标准气体在实验室进行标定，这种方法存在两个重要的问题：用于标定的标准气体本身存在不确定度的同时，其成分与实际测量气体有差别，导致标定的池常数和谐振频率与实际有差异；池常数和谐振频率随测量环境的变化而产生漂移，若只用采用实验室的标定结果而不能定时或实时校准池常数和调制频率，长期测量会产生较大的测量误差，Q值越大的光声池，频率票移对结果的影响越大。为广减小题率漂移导致的池常数的降低，一般采用较低品质因数的光声池[2-3]，但这就总体上
收稿日期：2014-09-04，修订日期：2014-12-20
数和谐振频率的在线校准方法，可实现对大气中二氧化碳浓度监测的光声光谱系统进行在线校准功能。
测量原理
光声光谱法的原理是气体吸收光能后发生无辐射跃迁，产生热能从而导致吸收媒质温度升高，如果将入射光进行光强调制，使媒质温度发生同频率的周期性变化而产生声波，通过探测声波强度可以求出气体浓度。对于一定浓度的气体，产生的光声信号表示为
Spa = S Gell aPc
(1)
式中，Spx为光声信号幅值（V），由锁相放大器运算得到，S 为麦克风灵敏度（V·Pa-），Gl是池常数（Pa·cm·W-），由实验标定得到，α是气体吸收系数（cm-1，atm-"），可通过
基金项目：渐江省质量技术监督系统科研项目（20130212），质检公益性行业科研专项项目（201210061），浙江省重大科技专项重大社会发展
项目(2012C13010-1)和国家自然科学基金委员会青年科学基金项目(61203205)资助
作者简介：张建锋，1985年生，浙江省计量科学研究院工程师
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