便携式大气温室气体测量仪关键技术研究.pdfVIP

便携式大气温室气体测量仪关键技术的研究 高晓明 樊宏 鲍健 黄伟 邓伦华 张为俊 中国科学院安徽光学精密机械研究所 合肥1125 信箱 230031 摘要 论文报道低噪声二极管激光器电流控制电源和高稳定二极管激光器温度控制电源的研制 电流控制电源其 稳定度达到2.3A 温度控制电源的稳定度为2mC 利用波长调制光谱及谐波探测技术进行了甲烷气体分子光 谱测量 获得了最小探测灵敏度为0.7ppmm 关键词 温室气体 谐波探测 高稳定度电流温度控制电源 1. 引言 随着我国国民经济的发展 环境对社会的可持续发展的影响显得越来越重要 全球大气污染 问题已经引起了广泛地关注 特别是最近关于全球变暖的问题 在 1997 年的京都议定书中世界 各国已经同意采取步骤稳定和降低温室气体的排放 这些温室气体主要包括 二氧化碳 CO2 甲烷 CH 氧化亚氮 N O 和臭氧 O 等 甲烷有人为和自然两种来源 人为源包括天然 4 2 3 气泄漏 石油煤矿开采及其它生产活动 热带生物质燃烧 反刍动物 城市垃圾处理场 稻田等 自然源包括天然沼泽 湿地 河流湖泊 海洋 热带森林 苔原 白蚁等 近年来人们开始利用 高灵敏度的检测手段开展稻田 城市垃圾处理场等地点的甲烷气体排放[1~2] 以及对流层大气甲烷 浓度分布[3~5] 这对于深入温室气体的变化和控制甲烷气体的排放具有十分重要的价值 本论文围 绕温室气体甲烷高灵敏度检测技术进行研究 开展了高精度电流温度控制器和信号发生器等关键 单元技术以及甲烷气体探测极限灵敏度的研究 2. 系统组成 近红外二极管甲烷温室气体测量系统主要由以下几个部分组成 如图 1 所示 l 高精度二极管激光温度 电流控制电路 l 信号发生器及探测电路 l 数据采集与分析单元 温度 电 二极管 探测器 流控制器 激光器 信号发生器 锁相放大器 数据采集及 分析单元 图1 便携式大气温室气体测量仪结构框图 3. 温度 电流控制器的研制 DFB 二极管激光器的激光线宽典型值为2MHz 而分子谱线线宽在大气条件下线宽为 1GHz 量级 对于低的样品压力分子谱线线宽最小也有 200MHz 因此要获得高分辨率分子光谱线型 就必须使得二极管激光器的线宽在 10MHz 量级 这就对二极管激光器的电流 温度控制电源具 有很高的要求 通常二极管激光器的电流和温度引起的频率变化率分别是0.01nm/mA 和0.3nm/ C 对于这样的值就要求二极管激光器的电流和温度的起伏在A 和mK 范围内 3.1低噪声二极管激光器电流控制电源 图2低噪声二极管激光器电流控制电源 图2为我们研制的低噪声二极管激光器电流控制电源简图 在完成电流控制器的制作之后 我们对其性能进行了测试 由于二极管激光器伏 安特性的非线性 因此在测量时使用一个 22 欧姆电阻假负载来代替二极管激光器 这样就能够保证电流与电压之间的线性变化 对于微安量 级的电流纹波在22 欧姆电阻两端引起的电压变化小于1mV 而示波器的最小量程为 1mV 因此 必须将22 欧姆电阻两端电压进行放大 我们利用运算放大器将其放大20 倍 示波器记录的电压 纹波如图3 所示 示波器垂直灵敏度为2mV/div 测得的电压纹波约为 1mV 由此可以算出电流 的波动值为2.3A