基于同質(zhì)分子濾波的物質(zhì)濃度探測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于同質(zhì)分子濾波的物質(zhì)濃度探測(cè)方法，利用同質(zhì)分子濾波結(jié)合調(diào)制光譜實(shí)現(xiàn)物質(zhì)濃度的精確探測(cè)。本發(fā)明技術(shù)由于只有與同質(zhì)分子結(jié)構(gòu)完全相同的待測(cè)分子才能被探測(cè)到，可以做到探測(cè)的唯一性，不受其他分子干擾；而且可以通過(guò)更換氣體池中的氣體種類，來(lái)靈活選擇和改變擬測(cè)量的氣體種類。通過(guò)調(diào)制的方法則可以將微弱的分子信號(hào)大幅放大幾個(gè)量級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度精確探測(cè)；還能將強(qiáng)度遠(yuǎn)大于待測(cè)分子信號(hào)的背景輻射屏蔽掉，有效地消除大氣背景輻射的干擾，探測(cè)靈敏度高達(dá)1ppb。該方法特別適用于大氣中含量很低的氣體分子探測(cè)，如二氧化碳，二氧化硫，甲烷等。
【專利說(shuō)明】基于同質(zhì)分子濾波的物質(zhì)濃度探測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及分子濃度探測(cè)方法，具體指一種利用同質(zhì)分子濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)濃度探測(cè)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自工業(yè)革命以來(lái)，大氣中二氧化碳含量增加了 25 %，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)科學(xué)家可能勘測(cè)出來(lái)的過(guò)去16萬(wàn)年的全部歷史記錄，而且目前尚無(wú)減緩的跡象。國(guó)際能源機(jī)構(gòu)的一項(xiàng)調(diào)查結(jié)果表明，美國(guó)、中國(guó)、俄羅斯和日本的二氧化碳排放量幾乎占全球總量的一半。美國(guó)二氧化碳排放量居世界首位，排放的二氧化碳占全球總量的23.7%，其次為中國(guó)，約占全球總排量的13.6%。許多科學(xué)家都認(rèn)為，溫室氣體的大量排放所造成溫室效應(yīng)的加劇是全球變暖的基本原因。有數(shù)據(jù)表明，當(dāng)前全球平均氣溫比工業(yè)化革命前升高了 0.8度。氣候變暖對(duì)糧食安全、水資源管理、生態(tài)系統(tǒng)和災(zāi)害防御體系以及人類自身健康等都將構(gòu)成嚴(yán)重威脅和災(zāi)難性后果。
[0003]進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著全球氣候變暖趨勢(shì)的不斷加劇，國(guó)際社會(huì)對(duì)溫室氣體排放的關(guān)注度也越來(lái)越高。地球大氣中的溫室氣體主要包括:水蒸氣(H2O)、臭氧(O3)、二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、 氧化亞氮(N2O)、甲烷(CH4)及六氟化硫(SF6)等，其中二氧化碳、氧化亞氮和甲烷氣體造成溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)最大，特別是二氧化碳，所占的比例高達(dá)55%。在全球氣候變化的大背景下，發(fā)展以“低能耗、低污染、低排放”為基礎(chǔ)的低碳經(jīng)濟(jì)模式成為全球各級(jí)部門決策者的共識(shí)，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)模式就是為減少二氧化碳等溫室氣體排放，減輕對(duì)地球的污染。因此，迫切需要對(duì)各種溫室氣體進(jìn)行檢測(cè)與監(jiān)控，為環(huán)境監(jiān)測(cè)部門提供相關(guān)憑據(jù)。其中，對(duì)溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)最大的二氧化碳?xì)怏w檢測(cè)方法主要有紅外光譜法、氣敏電極法、氣相色譜法，還有滴定法、激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)方法、TOC分析儀測(cè)定法等，從目前世界各國(guó)科學(xué)家對(duì)大氣的連續(xù)監(jiān)測(cè)表明，二氧化碳的日增加量在每立方米幾至幾十毫升之間，因此，對(duì)大氣中二氧化碳測(cè)試精度要求高達(dá)10_6(v/v)。
[0004]紅外光譜法的基本檢測(cè)原理是依據(jù)不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的氣體分子對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外輻射的吸收程度不同，根據(jù)朗伯一比爾定律，當(dāng)紅外光源發(fā)出的紅外光強(qiáng)度為Itl，通過(guò)一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的氣室，則透過(guò)的紅外光強(qiáng)度I與被測(cè)CO2氣體濃度C之間滿足下式:
[0005]I = I^exp(KaL)
[0006]式中:K為氣體的紅外吸收系數(shù)。當(dāng)氣體的種類一定,則K就確定，通過(guò)測(cè)出I的大小即可得知被測(cè)氣體的濃度變化。有學(xué)者從20世紀(jì)70年代后期就開(kāi)始利用紅外光譜對(duì)二氧化碳進(jìn)行檢測(cè)，如利用新型非色散紅外光譜分析系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)我國(guó)大氣本底基準(zhǔn)觀象臺(tái)大氣二氧化碳本底濃度、采用非分散紅外線光譜法測(cè)定生活垃圾填埋氣中的二氧化碳、利用紅外吸收型二氧化碳?xì)怏w傳感器檢測(cè)二氧化碳?xì)怏w、對(duì)比時(shí)間雙光束及空間雙光束測(cè)量法對(duì)二氧化碳?xì)怏w的檢測(cè)、利用非色散紅外光譜分析技術(shù)和旁氣流式測(cè)量方法無(wú)創(chuàng)測(cè)量病人呼出氣體二氧化碳體積分?jǐn)?shù)。紅外光譜法測(cè)定具有分析速度快、無(wú)污染、操作簡(jiǎn)便、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，重復(fù)性也相對(duì)較好，可適用于生成中間控制和在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。[0007]雖然紅外光譜法可用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)或在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但由于大氣中存在大量不同成分的氣體分子，相互之間影響與干擾嚴(yán)重，再加上大量空間背景輻射，形成了強(qiáng)大的背景噪聲，嚴(yán)重干擾了相關(guān)氣體的精確檢測(cè)與監(jiān)測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了消除強(qiáng)大背景噪聲與輻射干擾，本發(fā)明提出一種基于同質(zhì)分子濾波的物質(zhì)濃度探測(cè)方法，通過(guò)同質(zhì)分子濾波結(jié)合壓力調(diào)制來(lái)消除大量的背景噪聲與輻射干擾，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該種物質(zhì)的精確探測(cè)。
[0009]本技術(shù)發(fā)明的基本原理如下:
[0010]待測(cè)熱分子有與其吸收光譜相同頻率位置的發(fā)射光譜，被探測(cè)的就是熱分子發(fā)射光譜ε (ω)與背景^(ω)之和。其中，背景^(ω)很大，從積分上看，如果直接采集的話，待測(cè)分子的發(fā)射光譜將被淹沒(méi)在巨大的背景ε,(ω)之下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)待測(cè)分子的有效探測(cè)。雖然ε (ω)遠(yuǎn)小于eb(co)，但ε (ω)存在精細(xì)的指紋特征，所以，如果氣體吸收池中的氣體與待測(cè)分子相同，就會(huì)有指紋特征與ε (ω)指紋特征完全一致的透射光譜Τ(ω)。
[0011]為此，如果在探測(cè)光路上加入含有與待測(cè)氣體相同的同質(zhì)分子的吸收池，則探測(cè)到的吸收積分值為
[0012]S = / T ( ω ) ( ε (co)+eb(co))dco (I)
[0013]由于^(ω)是ω的慢變函數(shù)，而ε (ω)是快變函數(shù)，為此，在指紋波段可近似 = ，所以，
【權(quán)利要求】
1.一種基于同質(zhì)分子濾波的物質(zhì)濃度探測(cè)方法，它是在包括有窄帶濾光片、氣體池、活塞同步控制器、探測(cè)器及單色儀、鎖向放大器和計(jì)算機(jī)的探測(cè)裝置上實(shí)現(xiàn)的，其特征在于方法如下: 遠(yuǎn)處含有十分微弱被測(cè)氣體發(fā)射譜信號(hào)的大氣輻射在進(jìn)入探測(cè)裝置的氣室之前先通過(guò)一個(gè)窄帶濾光片，該窄波段的中心波長(zhǎng)選取為被測(cè)氣體特征吸收帶的中心波長(zhǎng)，樣品池裝有與被測(cè)氣體相同的氣體，與樣品池外表面相連的活塞由同步電機(jī)帶動(dòng)，周期性地壓縮樣品池，改變氣室內(nèi)的壓強(qiáng)，從而調(diào)制二氧化碳吸收譜的強(qiáng)度，活塞運(yùn)動(dòng)的頻率由同步電機(jī)調(diào)制，調(diào)制引起氣室內(nèi)壓強(qiáng)變化P = Po+acosQt，其中a為調(diào)制幅度，Ptl為氣室的初始?jí)簭?qiáng)，即一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Ω為調(diào)制頻率，這個(gè)調(diào)制頻率作為參考信號(hào)同時(shí)傳輸?shù)芥i相放大器，將與該調(diào)制頻率相關(guān)的微弱信號(hào)提取出來(lái)；從氣室出來(lái)后的大氣輻射被與單色儀結(jié)合的探測(cè)器接收，探測(cè)器接受到的信號(hào)包括反比于二氧化碳發(fā)射譜的直流成分T和正比于AT的交流成分，直流成分不通過(guò)鎖相放大器而直接輸入計(jì)算機(jī)，交流成分經(jīng)鎖相放大器掃描后輸入計(jì)算機(jī)，這樣計(jì)算機(jī)給出的圖譜就是調(diào)制光譜^，將調(diào)制光譜結(jié)果^代入以下公式(I)、⑵計(jì)算出AS/S，
【文檔編號(hào)】G01N21/3518GK104034679SQ201410257669
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】陸衛(wèi), 王少偉, 凌艷菁, 陳飛良, 冀若楠, 劉星星, 梁禮曄, 陳效雙 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所