摘 要: 差分吸收光譜技術(shù)(DOAS)主要應(yīng)用于環(huán)境污染物監(jiān)測中， 環(huán)境檢測的不穩(wěn)定性會(huì)造成監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性改變，也會(huì)造成監(jiān)測氣體吸收光譜的改變。采用了一種基于DSP的溫控系統(tǒng)，即使用溫度控制系統(tǒng)采集和監(jiān)控整套DOAS系統(tǒng)的溫度。通過該溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)溫度，分別在不同溫度下，驗(yàn)證了溫度對(duì)光譜儀的CCD暗電流和SO2氣體的吸收光譜的影響。實(shí)驗(yàn)表明,暗電流隨周圍溫度的下降呈指數(shù)下降，當(dāng)溫度達(dá)到20 ℃時(shí)，暗電流的變化較為平緩。并將該溫度下的氣體反演濃度與實(shí)際配比濃度進(jìn)行對(duì)比，其誤差約為2%。
關(guān)鍵詞： DOAS； 溫度控制； CCD； SO2； 吸收光譜
差分光譜技術(shù)DOAS（Differential Optical Absorption Spectroscopy)在環(huán)境污染物檢測中起到關(guān)鍵的作用，德國海得堡大學(xué)環(huán)境物理研究所的U.Platt教授等最先提出了差分吸收光譜的思想，其基本原理是利用空氣中的氣體分子的窄帶吸收特性來鑒別氣體成分，并根據(jù)窄帶吸收強(qiáng)度來推演出微量氣體的濃度[1-2]。經(jīng)過多年的研究，該方法已廣泛使用在大氣污染物質(zhì)監(jiān)測中，其中，DOAS系統(tǒng)的核心在于光譜儀，尤其是背照式CCD光譜儀的出現(xiàn)，將光譜范圍延伸到深紫外區(qū)，使得DOAS技術(shù)的使用得到進(jìn)一步的推廣[3]。
在實(shí)踐過程中，溫度對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性起著決定性的作用。溫度的改變直接到影響CCD電路的暗電流，尤其是在光譜成像的數(shù)據(jù)分析中，暗電流會(huì)降低成像范圍并且增加CCD噪聲,帶來了系統(tǒng)的誤差[4-5]。同時(shí)采樣氣體的吸收光譜也會(huì)隨著溫度的變化而產(chǎn)生改變，以致影響反演的準(zhǔn)確性[6-7]。
本實(shí)驗(yàn)將溫度控制裝置[8]應(yīng)用在現(xiàn)有DOAS監(jiān)測裝置下，對(duì)DOAS系統(tǒng)進(jìn)行溫度監(jiān)控和調(diào)節(jié)。在使用溫控裝置將裝置的溫度調(diào)整在各個(gè)不同值下，對(duì)CCD的信號(hào)平均強(qiáng)度與曝光時(shí)間進(jìn)行線性擬合，得到CCD暗電流隨溫度的變化關(guān)系，驗(yàn)證了CCD暗電流隨溫度升高成指數(shù)增長。同時(shí)配比指定濃度的SO2樣氣，分別在不同溫度下進(jìn)行吸收光譜的對(duì)比，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，增加氣體溫度會(huì)使吸收譜線的谷值增加、峰值減小。并且在20℃下，對(duì)SO2氣體的吸收光譜進(jìn)行反演，得出的濃度最接近真實(shí)值。
1 實(shí)驗(yàn)裝置
本實(shí)驗(yàn)中的便攜式DOAS裝置屬于主動(dòng)差分吸收光譜技術(shù)[9]，主要包括光學(xué)吸收系統(tǒng)、電學(xué)控制系統(tǒng)、光譜儀和工控機(jī)。光學(xué)吸收系統(tǒng)由光源、濾鏡、樣品池和光纖組成;電學(xué)控制系統(tǒng)主要由光譜數(shù)據(jù)采集、光譜數(shù)據(jù)分析和溫度控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。
其中溫控裝置采用美國TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320F28335微控制器作為控制核心，包括溫度采集單元、溫度控制單元、溫度顯示單元、溫度存儲(chǔ)單元、鍵盤單元、制冷制熱雙向控制單元等，如圖2所示。
2 溫度對(duì)系統(tǒng)影響[10]
2.1 溫度對(duì)光譜儀影響[4-5]
在黑暗背景下，將不同溫度的CCD信號(hào)的平均強(qiáng)度與曝光時(shí)間進(jìn)行線性擬合，即可得到CCD暗電流隨溫度的變化關(guān)系。圖3為暗電流隨溫度的變化關(guān)系，從圖中可以看出暗電流隨溫度的下降呈指數(shù)下降，當(dāng)溫度達(dá)到20℃以下時(shí)，暗電流的變化較為平緩。
可見擬合曲線符合斯特潘-玻爾茲曼定律，這就表明熱噪聲是暗電流的主要來源，故要將控溫裝置的溫度設(shè)定在20℃。
2.2 溫度對(duì)SO2影響[7,11]
在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配置濃度為500 ppm的SO2氣體，注入樣品池，使用MAYA2000背照式2DFFT-CCD光譜儀分別在20℃、40℃、60℃、80℃和100℃不同溫度下測量該氣體的吸收光譜，如圖5所示。由圖5中可以看出，溫度越高，檢測到的能量值越高，即由于氣體吸收而帶來的能量損失越少，也就意味著待測氣體的吸收越小。
配置濃度為300 ppm的SO2氣體，將其注入樣品池中，連續(xù)測量5次，得到的平均濃度為1.01 ppm，如圖8所示。其中圖8(a)代表500 ppm氣體的吸收譜線，即為背景譜線；圖8(b)代表樣品池中的光學(xué)厚度；圖8(c)實(shí)線部分代表注入300 ppm樣氣后的混合吸收光譜，虛線部分代表擬合光譜；圖8(d)中曲線為圖8(c)中兩個(gè)光譜的差值。
同理, 分別將450 ppm、700 ppm、1 000 ppm、1 200 ppm、1 600 ppm的SO2氣體注入標(biāo)準(zhǔn)濃度為500 ppm的樣品池中，重復(fù)上述過程，連續(xù)測量5次，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。觀察數(shù)據(jù)可知，最大相對(duì)誤差為2.3%，主要來自于背景光源、光譜儀探測器噪聲和反演過程中的擬合誤差。
本文將溫度控制系統(tǒng)與DOAS系統(tǒng)相結(jié)合,通過溫度控制系統(tǒng)，分別在20℃、40℃、60℃、80℃和100℃不同溫度下測量SO2的吸收光譜，并且通過配比好濃度的樣氣進(jìn)行反演。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光譜儀的CCD暗電流在20℃時(shí)變化最為穩(wěn)定，SO2吸收譜線在20℃時(shí)的反演精度最高。因此，使用溫度控制系統(tǒng)將溫度有效地控制在20℃時(shí)，在DOAS方法下的SO2樣氣反演精度最高，濃度檢測的準(zhǔn)確度也最高。
參考文獻(xiàn)
[1] 湯光華, 許傳龍, 邵禮堂,等.差分吸收光譜法在線測量煙氣濃度實(shí)驗(yàn)研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2008,29(02):
244-249.
[2] 吳楨, 虞啟璉, 張帆,等. DOAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理[J].儀器儀表學(xué)報(bào), 2003,24(05):490-493，505.
[3] 石寶松, 孫守紅, 張偉. CCD在便攜式光譜分析儀中的應(yīng)用[J].電子測量技術(shù), 2010,33(11):84-86.
[4] 鄒思成. 溫度等因素對(duì)CCD數(shù)據(jù)采集電路性能影響的研究[J].天文研究與技術(shù), 2006,9(3):275-279.
[5] 殷亞男, 王曉東, 李丙玉,等.CCD信號(hào)處理電路偏置漂移校正[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2012,38(11):51-54.
[6] 謝印忠, 莊松林, 張保洲. 基于線陣CCD的光譜儀定標(biāo)研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2011,32(03):546-550.
[7] 邵理堂, 王式民, 湯光華,等. DOAS方法在線測量污染氣體濃度的溫度與非線性補(bǔ)償[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2009,
30(7):1518-1523.
[8] 冷雪,周九飛,付金寶,等.基于 DSP的生化分析儀溫控系 統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào),2011,25(4):360-365.
[9] 秦敏, 謝品華,劉建國,等.基于二極管陣列PDA的紫外-可見差分吸收光譜(DOAS)系統(tǒng)的研究[J]. 光譜學(xué)與光
譜分析, 2005,25(9):1463-1467.
[10] 楊凱, 魯昌華, 朱超,等.模糊PID算法的溫度控制在CCD上的應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2013,32(4):69-71.
[11] 張麗.基于FPGA的靜態(tài)實(shí)時(shí)光譜采集與處理系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2013,38(7):75-77.
[12] 謝品華,劉文清,鄭朝暉，等.差分光學(xué)吸收光譜（DOAS）技術(shù)在煙氣SO2監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào)，2000,29(3):271-276.