LED温度波动对差分吸收光谱技术测量NO2的影响研究

LED温度波动对差分吸收光谱技术测量NO2的影响研究 第卷,第期 光谱学与光谱分析 .,.,? 年 月 . 温度波动对差分吸收光谱技术测量的影响研究 凌六一’,谢品华,秦 敏,郑尼娜,叶丛雷,李 昂,胡仁志 .中国科学院安徽光学精密机械研究所,中国科学院环境光学与技术重点实验室,安徽合肥 .安徽理工大学电气与信息工程学院,安徽淮南 摘要研究了中心波长分别为 近紫外、啪蓝光和 红光三种无 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 具结构的发光 二极管光源温度波动对差分吸收光谱技术测量的影响。利用温度?时的灯谱 构造 吸收谱,将其他温度下测得的谱作为灯谱,以此得到不同温度波动下的差分光学密度, 再拟合差分吸收截面到差分光学密度,结果发现拟合残差的峰一蜂值与温度波动幅度均近似成线 性关系,相关性分别为.,.和.;斜率分别为.×~,.×和.×叫?~。拟 合结果表明,蓝光温度波动对反演影响最小,基本上不影响探测灵敏度,而近紫外和红光 温度波动对测量较为敏感,温度波动会导致探测灵敏度的下降。将温度特性 相似的有、无标准具结构 的两种蓝光的反演结果进行了比较,结果显示标准具结构会大幅度增加温度波动对反演的影 响。 关键词差分吸收光谱技术;发光二极管;温度波动;、?测量 中图分类号: 文献标识码: :./.札??一 系统的测量,直接导致测量系统探测灵敏度的下降。虽然这 些影响可通过某种手段来消除,如测量气体吸收谱后紧接着 引 言 测量灯谱,或定期测量灯谱,或对进行恒温控制。本工 作的目的是向读者呈现常用波段.功近紫外、蓝色和红色 技术具有监测范围广、响应速度快、无接触测 量和多组分同时在线监测等特点,在对流层痕量气体监测中 温度波动给测量具体所带来的影响情况, 有着广泛应用’。作为一种新型光源,具有体积小、 为基于勋光源的系统在选择和测量手段方面 寿命长、安全可靠、价格低、节能环保等优点,目前已成功 提供参考。 作为系统的光源,用于测量大气中的。 等?分别采用蓝光和红光作为长光程系统的光 谱的温度特性 源,测量了海德堡大学附近大气中的和;等 采用蓝光测量了合肥郊区的,光程 的平均 电子一空穴对的自由复合决定了的光学特性口。当 结两端注入正向电流时,注人的非平衡载流子电子一空 探测限为.×. ;等同样采用蓝光 作为长光程系统光源,测量了香港市区等 穴对在扩散过程中复合发光,这种复合所发出的光属于自 发辐射,辐射光的峰值波长决定于材料的带隙能。,即 痕量气体。等以有标准具结构的蓝光作光源, ? 利用长光程系统,分别在四种入射角度下测量 /,而带隙能是温度的函数,可表示为纠 了合肥科学岛上的浓度。 一一订/ 由于光源的电功率通常在数瓦量级,环境温度变 式中,为温度 时的带隙能;和为半导体参数; 化就会引起温度波动。有研究表明,温度出现波 丁为固温度。由式可知,当温度升高对,带踪能减小, 动会导致辐射谱线发生漂移 ,而且光谱强度也会发生一 峰值波长变长,这与实际观测到的结果相吻合。同时, 定的变化。温度变化引起的光谱波动,会干扰 温度的升高会减小电子与空穴的复合概率 ,使发光效率 收稿日期:一?。修订日期:一一 基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目,,国家计划项目资助 , 作者简介:凌六一,年生,中国科学院安徽光学精密机械研究所博士研究生 : 通讯联系人 :如. 万方数据 第期 光谱学与光谱分析 降低,导致光谱强度变弱。 ?,闪耀波长啪,光谱分辨率约.啪采集, 实验中使用的三种无标准具结构的分别为:近 光谱仪工作在恒温条件下,温 度波动小于.?,对应光谱 紫外波段一, , .,中心波长约 漂移小于. 。探测器采用背照 啪,半高全宽约 ;蓝色波段 并制冷至零下?以降低暗电流。四工作电流均为 , .,中心波长约啪,半高全宽约眦; ,电流稳定度优于 。温度由算法控制半导 红色波段一, .,中心波长 体制冷片平均功率来实现恒定,其温度波动小于.?。图 约 ,半高全宽约 。这三种波段的谱由同一 给出了以上三种在不同温度下的辐 射谱。 台光谱仪 ,焦距 ,光栅 . . 蚤 兽? ‘晶 菩. 董 譬 熏. 占. 髻 耋. 夏 出. .加 / 鲥妇 ,姗 .却咖 卜,辩 啪蛔瑙 从图中可以看出,蓝光印无论是中心波长还是光 近%,光强与温度之间近似 呈线性关系,斜率为一.% 谱强度随温度变化较小,而近紫外虽然中心波长随温 ?~。而在?的温度波动范围内,蓝光和红光光强 度变化也较小,但光谱强度却发生了明显的变化,温度升高 变化均在%以内, 平均温漂分别为一.%和一 发光效率明显下降。红光的光谱强度虽然与温度波动 .%?~,但红光中心波 长发生了较大的漂移,平均 ?? 关系不大,但其中心波长却出现了较为明显的红移。三种 温漂为. ,而蓝光 波长温漂只有. 中心波长和光谱强度随温度变化的详细统计结果见图 呦??~,类似的光谱 温度特性同样出现在同波段其他厂 。近紫外温度从?变化到?时,其中心波长漂 家的上。 移了. ,平均温漂为.啪??~,而光强下降了 蚴 眈 .喜 鲫 .? 鼬 .藿御 .皇 目吾??;毒 雠 .篁 目奢?一?意‘ . 盱耐? 怕扫耐? 雕粕? 咖 】?昏 蚰艘协陴专 粕 嬲 翰卜,眦柚 一??一。。 温度波动对测量的影响 式中,的差分吸收截面瓯由文献的高分辨率 吸收截面与仪器函数卷积再经高通处理后得到。乘积’ 测量技术基于卜定律,可用式来 称为柱浓度选取时使差分光学密度即为莎’ 嗡 描述 峰一峰值约为系统剩余噪声即拟合残差,此处可用连续两条 ?时的谱相除再经高通后近似得到峰一峰值的两倍 锷一莩口‘以 左右,以确保测量时具有一定的信噪比约~,若信噪 式中, 和分别是灯谱和吸收谱,盯是被测气体 比选取太低,低于仪器探测极限没有实际意义;信噪比选取 差分吸收截面,是被测气体浓度,是吸收光程, 太高,太大的光学密度将会掩盖温度波动对反演结果 代表宽带吸收部分,如瑞利散射和米散射等。为 的影响。选择这个适中的信噪比来研究国温度波动对 了解温度波动对测量的影响,首先采用 测量的影响。近紫外、蓝光和红光实际选取的 ?下的谱厶来构造吸收谱,并且只考虑 柱浓度分别为×,,×和×”?一。 差分吸收部分宽带吸收由算法高通滤去,不影响测 将不同温度下的谱与所构造的吸收谱相除并获取 量结果,即 差分光学密度后再进行拟合,根据拟合结果便可得知 万方数据 光谱学与光谱分析 第卷 温度波动所带来的影响。图给出了吸收谱和灯谱在相 果。可以看出,当温度没有波动时,三者的拟合残差 同温度?下即己温度未出现波动时的拟合结 峰一峰值均在.以内。 瞄 咐 . 她 耋 .? 咖 咖 . 薹 瞄 .? 瞄 . 毡蝴她 . 眦 九 . 唧 咖 . 雠 . 她 薹 .?妇 钿恤 ,衄 吼四 晷 唱蜉山 眦婶隋髑他伽恤 肭锄旧锄叩撇 ? 咖 融雌 当四温度出现波动时,谱也产生相应的波动, 略有增加,残差谱的形状仍然 表现出随机噪声的波形。而近 拟合结果会有所变化。图给出的是选择?时 紫外和红光的拟合残差峰一峰 值增加了数倍,残差 谱作为灯谱的拟合结果吸收谱仍然由?时的谱构 结构表现出正弦形状,并 且完全掩盖了的吸收, 造。可以看出,蓝光所对应的拟合残差峰一峰值 温度波动干扰了的拟合。 似 毗 眦? 咖 耋 毗 麟玲尹 旺叭?叭窨 他 ...僦涮? 全 叭 叭 ? ??窨 姒啷毗叫咖咖耋? “ %, ?,“ 哪, 蚰 蜘 昏 岱 巾啪皓鲫窜脚帆删? 锄珊打哪托唧? 咖舯髂 图所示的是三种显温度波动与拟合残差峰一峰 但增加了测量装置的机械复杂性,一定程度上还牺牲了 值之间的关系图,三者拟合残差的峰一峰值与温度波动 系统的时间分辨率。 均近似成线性关系,相关性分别为.,.和., ? 斜率分别为.×一,.×和.×叫?~。图 ? 所示的是三种温度波动与拟合的柱浓度之间的 ? 关系,图中水平直线表示柱浓度实际值。从图和 吆 中可以看出,随着肪温漂程度加剧,近紫外和红光 陀 拟合误差也随之增大,拟合误差甚至超过%,拟合 叭 结果可信度大大降低。而蓝光拟合误差基本上没有发 仇 【??“稿器昭《? 生变化,误差保持在%以内。结合图和图可知,蓝光 ? 温度波动基本上不影响系统的测量结果,实际 ? 应用中可以不用进行恒温控制。而近紫外和红光温度 波动对测量较为敏感,温度波动会导致探测灵敏度的 ,? 锄啪 下降,若要获取高灵敏度的探测,需进行恒温控制。虽然可 ?咖晷 以像文献,那样,每测量一次吸收谱之后紧接着测量灯 铬 王 唧陀 谱,无需恒温控制也可提高探测灵敏度,但这种方法不 万方数据第期 光谱学与光谱分析 × 度波动对拟合残差的影响结果。如果灯谱出现 × 妒标准具结构,谱中有多个波峰,一旦温度出现波 州。 :。咖二毛置 钟?如动即使是很小的波动,温度漂移前后的两条灯谱的多个 波 × 峰就会不一致,这样获取的差分光学密度谱中就会出 × 现类似于正弦的结构,将会严重干扰正常的拟合,也使 : ×?九哪 得系统的探测灵敏度急剧下滑。因此,使用有标准具结构的 作为?系统光源,需考虑灯谱结构对浓度反演所 君幺一,茸?搴勺晷等一。口 带来的影响,如文献,在拟合时增加合成参考 谱、文献 《 ‘. 《,通过倾斜入射角度等手段来扣除这种影响。 ????蚰??雄似 吣吣吣。吣吣吣吣小吣??? 吼一只 咖坤俐? 吣 昏 帆蛔咖伤雌恻 肌嘶 哪岬呲 舛 从图中可以看出,。四谱的形状相对比较平滑。而有 些谱中会出现.标准具结构,图实线部分 高等??鼋曙日盘 吆 是蓝光, .在?时的 辐射谱,出现这种标准具结构的原因讨论见文献,。 在?时的辐射谱见图点线部分,通过计 辑,? 算发现其波长平均温漂为. ??~,光强平均温漂 哪一 孚 加坝蛐捌协 痂瞎 为一.%??~,与同波段的上述无标准具蓝光温度 眦稍 稍舢 缸蛐 蚰虹? 特性较为接近。然而,拟合结果发现,标准具结构会加 剧温度波动对测量的影响,图中的虚线是温 结论 度漂移?时的拟合残差,可以看出残差形状表现出 类似正弦的结构,而且幅值是待反演差分光学密度的 胁作为一种新型光源,应用于技术中的可行 数十倍。图给出了有、无标准具结构两种不同蓝光温 性目前已得到了广泛验证,但温度波动会引起光谱强 鲫惦 , 度和波长的变化,从而影响系统的测量结果。反演结 . 伽?果表明,无标准具结构的蓝光温度波动对测量 结果的影响基本上可忽略,实际应用时无需考虑四温度。 稳定性问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。近紫外和红光温度波动对测量结果影响较为敏感,拟合残差峰 一峰值随温度偏差近似成线性增长趋 一詈?譬?口号正 地 备?雪》口曼笛 势,温度波动会直接导致探测灵敏度的下降,使用这两种波 段的作为光源时,需要考虑温度波动问题。此外, 也惭 谱中的标准具结构会加剧温度波动对测量的影 酣妇 响程度,实际测量时应尽量避免使用有标准具结构的胁 鹏诵缅嘲吼 昏 。咖 嘲 作为嗍系统的光源。 ,,矗 .. ,。:. , 王 , , 杨,谢品华,李 昂,等. 光谱学与光谱分析, ,:. , , , 【石鹏,谢品华,李 昂,等。 光学学报,,:. , , , 王珊珊,周 斌,叶 庆,等. 光学学报,,:. , , , 沈 轶,周 斌,王珊珊。等. 面光学学报,,:. , , , ..,,:. ?,? , , 李素文,谢品华。刘文清,等. 物理学报,,:., , , ... .,,:. ?, , , 凌六一,谢品华,秦敏,等. 妇光学学报,,:?. 万方数据 光谱学与光谱分析 第卷., , 。,, , 费 翔,钱可元,罗 毅.. 【?. ?光电子?激光,,:.. .,. 血 , . ,,:. ..衄曲 ,, . , , , , , ...,,:. . ., 一, 卅王., , 。‘, , 功 . , 芒 , , , . ?,舷 】, 。 均 ,咖 证 廿 瞳 叩 ?. 咖? . 印 、? 四 , 、? 也 . ? . 相傥 纽 , 瞅 , .,. 矗 班 迁 .×~,.×一 .×??~. 啦巾“? .、 抽【 锄 鲫哪 ’凼 ; .;; 哪 ., ,; 万方数据