第36卷，第8期 2016年8月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
基于空心光波导的激光吸收光谱氨气传感器
杜振辉，张哲远，李金义，熊博，甄卫萌天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津
300072
Vol.36,No.8,pp2669-2673
August，2016
摘要空心光波导（hollowwaveguide，HWG)可以同时传输红外激光和目标气体，是激光气体传感器中的新型气体池，具有体积小、响应速度快的特点，基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术，以空心光波导为气体池，研制了氨气激光传感器，采用波长调制光谱（wavelengthmodulationspectroscopy，WMS)技术，同时解调气体吸收的一次谐波（1f)和二次谐波（2.f)信号，通过1归一化2f信号实现免校准（calibration-free)测量。利用标准气体进行验证实验，结果表明，传感器的响应线性度R为0.9998，响应时间24S，A1 lan方差结果表明积分时间18s时检测限为26ppbv。该传感器可以用于空气中痕量氨气的快速、高灵敏检测。
（（S）
中图分类号：0433.1
引言
文献标识码：A
DOI: 10. 3964/j. issn. 10000593(2016)082669-05
过调整反射次数增加光程长可以达到很低的检测限，但由于气体池体积大，响应时间较长。空心光波导作为一种新型的气体池，可以同时传输红外激光和气体，具有光传输效率
氨气是大气成分中含量仅次于N和N,O的含氮化合
物，也是大气成分中最丰富的碱性痕量气体，浓度在Ppb-ppm之间(1)。典型的排放源有肥料、家养生畜代谢物、工业和人类排放等，如，在工业烟气处理中，为减少NO，的排放，使用NH，作为还原剂，由于所注人的氨与NO，有可能反应不完全而导致泄露，造成空气污染。氨气是一种无色有刺激性的气体，对人的喂觉产生刺激造成心理和生理不适和危害，是恶臭污染物排放标准3（GB14554一93）中八种恶臭气体之一，该标准规定氨气的无组织排放源的厂界浓度限值是1mg·m-3（1.44ppmv))。此外，大气中的NH：与 SO：，NO，和NO，等酸性气体或自由基发生反应生成二次气溶胶颗粒，影响大气能见度+}。因此对空气中的氨气浓度做监测，不仅是恶臭污染控制的需求，也对PM2.5污染防治有重要意义。
TDLAS技术具有高灵敏度、选择性好、快速、在线测量等特点，广泛应用于高精度痕量气体在线监测。TDLAS的工作方式有两种，一种是开放光程检测，另一种是抽取方式检测。目前抽取式检测一般利用White池、Herriott池的多次反射对痕量气体进行高精度测量。其中Tommasi等利用White池对氨气进行测量达到25Ppbv的检测限，而响应时间在2L·min-1的流量下是6min。可见利用White池通
收稿日期：2015-06-02，修订日期：2015-10-20
高、光经过内壁的多次反射传输可以使光程增加等特点。其中主要的一个优点是空心光波导气体池的体积很小，小的体积意味着更短的换气时间和响应时间，这一特性非常有利于快速检测。应用空心光波导和预浓缩系统结合傅里叶变换红外线光谱分析仪（(FTIR)被用来高精度的检测痕量气体[-8)，而应用空心光波导气体池结合TDLAS技本进行快速检测的报道较少。
研究中曾利用空心光波导研制了中红外硫系恶臭气体传感器["，15}，在此基础上，本文研制了近红外氨气激光传感器。该传感器以分布式反馈(DFB)的近红外激光器为光源，以空心光波导为气体池同时传输近红外激光和气体，采用波长调制光谱的1次谐波归一化的2次谐波（WMS-2.f/1.f)检测技术，抑制由于电路，光路，光源等因素造成光强变化的影响，
实现免校准的测量。 1
测量原理
激光气体传感器基于免校准的波长调制光谱（WMS-2f/ 1)技术10-12]，激光器的波长除了在一定范围进行扫描外，还同时被一个频率为的正弦信号进行调制，经目标气体吸收后的透射光被光电探测器接收后进人锁相放大器，对输人
基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项（2012YQ06016501），天津市自然科学基金项目（11JCYBJC04900)资助
作者简介：杜振解，1967年生，天津大学精密仪器与光电子工程学院副教授
e-mail: duzhenhuitju, edu, cn