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基于激光器光谱技术的二氧化碳的气体检测方案

导读: 可调谐半导体激光器调制光谱技术和二氧化碳检测技术可以测得二氧化碳气体浓度值。

  全球变暖问题已经成为人类最关心的环境问题,它的核心是气候变化,含碳温室气体浓度增加所加剧的温室效应是气候变化的主要原因。正确客观的评价各类陆地生态系统对大气中主要温室气体浓度的贡献是当前全球变化和全球气候、环境变化研究中的重要内容。长期以来,人们根据陆地生态系统排放(或吸收)主要痕量气体的基本特征和近地层大气中气体传输的机制,发展了各种通量测量方法。但是,由于陆地生态系统排放和吸收痕量气体的过程极为复杂,不同痕量气体排放和吸收之间相互影响,而且这些痕量气体的通量值很低,给观测带来很大困难。而且地气交换过程涉及从微小尺度到中尺度,范围宽广,然而迄今为止,在几公里到几十公里尺度上,特别在非均匀下垫面和地形起伏情况下,有代表性的区域湍流通量的观测及有关分析研究,仍然非常困难。因此,测量大气痕量气体通量的方法非常关键。

  可调谐半导体激光器调制光谱技术和二氧化碳检测技术可以测得二氧化碳气体浓度值。可调谐半导体激光器调制光谱技术是利用二极管激光器波长扫描特性,获得被测气体的特征吸收光谱范围内的吸收光谱,由二次谐波从而对污染气体进行定性或者定量分析,具有高分辨率、高灵敏度以及响应时间快等特点,具有非侵入式原位快速在线测量和遥测等的特有优势,已日益广泛地应用于测量气体污染物的浓度、有毒气体泄漏遥测、大气质量监测等。

  开放光路的可调谐半导体激光器调制光谱技术,以1.573μm的DFB激光器作为光源,采用波长调制技术和激光分束技术,通过检测1.573μm附近二氧化碳的单根吸收线,实现了对两个不同高度层面上二氧化碳气体浓度的快速在线监测。结合近年来刚刚发展起来的大口径闪烁仪测量出的莫宁-奥布霍夫长度和特征速度,以实现测量几百米光程范围内二氧化碳温室气体的通量。

  二氧化碳检测技术采用的是二氧化碳检测仪,二氧化碳检测仪精确进行二氧化碳检测,采用红外进口二氧化碳传感器,信号稳定,二氧化碳检测仪具有灵敏度及精度高等优点。二氧化碳控制器采用了世界上先进的微电脑技术、数字传感器技术、自动控制技术,带有数码管显示和键盘操作,能够自动监测并显示室内的二氧化碳、温度、湿度数据,通过键盘可以设置二氧化碳、温湿度的上下限,当二氧化碳、温湿度超过所设范围时自动报警,带有通讯接。

  实验期间河南封丘农业生态站的昼夜温差变化很大,白天气温很高,夜晚温度很低,使得角反射器的镜面外围表面有少许的水珠,对激光的反射造成一定的影响,从而使测量的CO2气体的浓度误差偏大,所以下一步的实验可以通过在夜晚时对角反射器的外围进行恒温加热以去除凝结的水珠,减少其影响。实验由于大面积范围内植被的非单一性和时间是双孢菇种植时期,光路经过了防护林和双孢菇的养料麦秆发酵场,会使得测量的大面积的CO2气体的通量与传统的涡度相关局地CO2通量有偏差,下一步实验将选择单一草地对二者的相关性做研究。实验进行过程中对于光路的调节,应确保激光打在角反射镜面的合适位置,反射回来接收到的激光强度适中,同时应确保光路的稳定,对于由于光路中偶然因素造成遮挡光路时测量的奇异的CO2浓度值在后期进行数据处理时要对其进行剔除。

  利用开放光路的可调谐半导体激光器调制光谱技术和二氧化碳检测技术,采用波长调制与分光技术相结合,时实测量出两层不同高度上700多米光程范围内的二氧化碳气体浓度值,结合大口径闪烁仪测量的莫宁-奥布霍夫长度和特征速度最终反演出二氧化碳温室气体的通量,使大范围大面积的痕量气体的通量计算变为可能。进一步正确客观的评价各类陆地生态系统对大气中主要温室气体浓度提供依据。

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