基于同质分子滤波的物质浓度探测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于同质分子滤波的物质浓度探测方法，利用同质分子滤波结合调制光谱实现物质浓度的精确探测。本发明技术由于只有与同质分子结构完全相同的待测分子才能被探测到，可以做到探测的唯一性，不受其他分子干扰；而且可以通过更换气体池中的气体种类，来灵活选择和改变拟测量的气体种类。通过调制的方法则可以将微弱的分子信号大幅放大几个量级，从而实现高灵敏度精确探测；还能将强度远大于待测分子信号的背景辐射屏蔽掉，有效地消除大气背景辐射的干扰，探测灵敏度高达1ppb。该方法特别适用于大气中含量很低的气体分子探测，如二氧化碳，二氧化硫，甲烷等。
【专利说明】基于同质分子滤波的物质浓度探测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及分子浓度探测方法，具体指一种利用同质分子滤波来实现物质浓度探测的方法。
【背景技术】
[0002]自工业革命以来，大气中二氧化碳含量增加了 25 %，远远超过科学家可能勘测出来的过去16万年的全部历史记录，而且目前尚无减缓的迹象。国际能源机构的一项调查结果表明，美国、中国、俄罗斯和日本的二氧化碳排放量几乎占全球总量的一半。美国二氧化碳排放量居世界首位，排放的二氧化碳占全球总量的23.7%，其次为中国，约占全球总排量的13.6%。许多科学家都认为，温室气体的大量排放所造成温室效应的加剧是全球变暖的基本原因。有数据表明，当前全球平均气温比工业化革命前升高了 0.8度。气候变暖对粮食安全、水资源管理、生态系统和灾害防御体系以及人类自身健康等都将构成严重威胁和灾难性后果。
[0003]进入21世纪以来，随着全球气候变暖趋势的不断加剧，国际社会对温室气体排放的关注度也越来越高。地球大气中的温室气体主要包括:水蒸气(H2O)、臭氧(O3)、二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、 氧化亚氮(N2O)、甲烷(CH4)及六氟化硫(SF6)等，其中二氧化碳、氧化亚氮和甲烷气体造成温室效应的贡献最大，特别是二氧化碳，所占的比例高达55%。在全球气候变化的大背景下，发展以“低能耗、低污染、低排放”为基础的低碳经济模式成为全球各级部门决策者的共识，发展低碳经济模式就是为减少二氧化碳等温室气体排放，减轻对地球的污染。因此，迫切需要对各种温室气体进行检测与监控，为环境监测部门提供相关凭据。其中，对温室效应贡献最大的二氧化碳气体检测方法主要有红外光谱法、气敏电极法、气相色谱法，还有滴定法、激光雷达监测方法、TOC分析仪测定法等，从目前世界各国科学家对大气的连续监测表明，二氧化碳的日增加量在每立方米几至几十毫升之间，因此，对大气中二氧化碳测试精度要求高达10_6(v/v)。
[0004]红外光谱法的基本检测原理是依据不同化学结构的气体分子对不同波长的红外辐射的吸收程度不同，根据朗伯一比尔定律，当红外光源发出的红外光强度为Itl，通过一个长度为L的气室，则透过的红外光强度I与被测CO2气体浓度C之间满足下式:
[0005]I = I^exp(KaL)
[0006]式中:K为气体的红外吸收系数。当气体的种类一定,则K就确定，通过测出I的大小即可得知被测气体的浓度变化。有学者从20世纪70年代后期就开始利用红外光谱对二氧化碳进行检测，如利用新型非色散红外光谱分析系统连续监测我国大气本底基准观象台大气二氧化碳本底浓度、采用非分散红外线光谱法测定生活垃圾填埋气中的二氧化碳、利用红外吸收型二氧化碳气体传感器检测二氧化碳气体、对比时间双光束及空间双光束测量法对二氧化碳气体的检测、利用非色散红外光谱分析技术和旁气流式测量方法无创测量病人呼出气体二氧化碳体积分数。红外光谱法测定具有分析速度快、无污染、操作简便、远程监测等优点，重复性也相对较好，可适用于生成中间控制和在线实时监测。[0007]虽然红外光谱法可用于远程监测或在线实时监测，但由于大气中存在大量不同成分的气体分子，相互之间影响与干扰严重，再加上大量空间背景辐射，形成了强大的背景噪声，严重干扰了相关气体的精确检测与监测。
【发明内容】
[0008]为了消除强大背景噪声与辐射干扰，本发明提出一种基于同质分子滤波的物质浓度探测方法，通过同质分子滤波结合压力调制来消除大量的背景噪声与辐射干扰，从而实现对该种物质的精确探测。
[0009]本技术发明的基本原理如下:
[0010]待测热分子有与其吸收光谱相同频率位置的发射光谱，被探测的就是热分子发射光谱ε (ω)与背景^(ω)之和。其中，背景^(ω)很大，从积分上看，如果直接采集的话，待测分子的发射光谱将被淹没在巨大的背景ε,(ω)之下，无法实现待测分子的有效探测。虽然ε (ω)远小于eb(co)，但ε (ω)存在精细的指纹特征，所以，如果气体吸收池中的气体与待测分子相同，就会有指纹特征与ε (ω)指纹特征完全一致的透射光谱Τ(ω)。
[0011]为此，如果在探测光路上加入含有与待测气体相同的同质分子的吸收池，则探测到的吸收积分值为
[0012]S = / T ( ω ) ( ε (co)+eb(co))dco (I)
[0013]由于^(ω)是ω的慢变函数，而ε (ω)是快变函数，为此，在指纹波段可近似 = ，所以，
【权利要求】
1.一种基于同质分子滤波的物质浓度探测方法，它是在包括有窄带滤光片、气体池、活塞同步控制器、探测器及单色仪、锁向放大器和计算机的探测装置上实现的，其特征在于方法如下: 远处含有十分微弱被测气体发射谱信号的大气辐射在进入探测装置的气室之前先通过一个窄带滤光片，该窄波段的中心波长选取为被测气体特征吸收带的中心波长，样品池装有与被测气体相同的气体，与样品池外表面相连的活塞由同步电机带动，周期性地压缩样品池，改变气室内的压强，从而调制二氧化碳吸收谱的强度，活塞运动的频率由同步电机调制，调制引起气室内压强变化P = Po+acosQt，其中a为调制幅度，Ptl为气室的初始压强，即一个标准大气压，Ω为调制频率，这个调制频率作为参考信号同时传输到锁相放大器，将与该调制频率相关的微弱信号提取出来；从气室出来后的大气辐射被与单色仪结合的探测器接收，探测器接受到的信号包括反比于二氧化碳发射谱的直流成分T和正比于AT的交流成分，直流成分不通过锁相放大器而直接输入计算机，交流成分经锁相放大器扫描后输入计算机，这样计算机给出的图谱就是调制光谱^，将调制光谱结果^代入以下公式(I)、⑵计算出AS/S，
【文档编号】G01N21/3518GK104034679SQ201410257669
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】陆卫, 王少伟, 凌艳菁, 陈飞良, 冀若楠, 刘星星, 梁礼晔, 陈效双 申请人:中国科学院上海技术物理研究所