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物理学报基于可调谐半导体激光吸收光谱的酒精蒸汽检测方法耿辉刘建国张玉钧阚瑞峰许振宇姚路阮俊中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室合肥年月日收到年月日收到修改稿采用窄带半导体激光器开展了酒精蒸汽浓度检测方法研究使用酒精分子在附近的一个相对较窄的吸收峰作为酒精分子的鉴别信息为消除水汽对酒精分子检测的干扰提出了建立多元线性回归方程拟合求解多分子吸收共存的问题实验表明系统的检测限达到关键词光谱学酒精蒸汽半导体激光器宽带吸收立可分辨的吸收线的小分子但酒精分子吸收线之引言间的间隔太窄由于多
物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 4 (2014) 043301 基于可调谐半导体激光吸收光谱的 酒精蒸汽检测方法 耿辉 刘建国 张玉钧 阚瑞峰 许振宇 姚路 阮俊 (中国科学院安徽光学精密机械研究所, 环境光学与技术重点实验室, 合肥 230031) ( 2013 年9 月14 日收到; 2013 年11 月6 日收到修改稿) 采用窄带半导体激光器开展了酒精蒸汽浓度检测方法研究. 使用酒精分子在7180 cm 附近的一个相对 较窄的吸收峰作为酒精分子的鉴别信息. 为消除水汽对酒精分子检测的干扰, 提出了建立多元线性回归方程 拟合求解多分子吸收共存的问题. 实验表明, 系统的检测限达到25 ppmm. 关键词: 光谱学, 酒精蒸汽, 半导体激光器, 宽带吸收 PACS: 33.20.Ea, 42.62.Fi DOI: 10.7498/aps.63.043301 立可分辨的吸收线的小分子. 但酒精分子吸收线之 1 引 言 间的间隔太窄, 由于多普勒展宽, 即使在低压下吸 收线也相互交叠, 在常压下形成连续的吸收光谱. 酒精性饮料在交通事故、创伤、自杀和许多暴 具有这种光谱的分子被称为宽带吸收分子5 , 这种 力性犯罪的发生中占重要地位, 特别是道路交通事 光谱特征限制了TDLAS 技术的运用, 成为其探测 1 痕量气体的难点. 酒精分子的宽带吸收光谱中存在 故致死事故 . 根据2008 年世界卫生组织的交通 事故调查, 大约50%—60% 的交通事故与酒后驾驶 一个较狭窄的吸收特征(7177—7184 cm), 与典 有关. 酒后驾驶已成为车祸致死的主要原因, 带来 型的可调谐二极管激光器的调谐范围相当, 可以作 6 了严重的经济损失. 统计表明, 抓住醉酒驾驶员的 为酒精分子的鉴别信息 . 本文试图采用TDLAS 概率只有千分之一; 而因酒后驾驶被起诉的约有 技术获取酒精分子的特征吸收光谱, 并提出建立多 80% 是重复犯罪2 . 目前, 各国普遍采用的判定司 元线性回归方程求解水蒸汽存在下的酒精蒸汽含 机是否酒后驾驶的主要方法是检测血液、呼气中酒 量的分析方法, 以期为今后研发酒后驾驶远距离遥 精浓度. 在交管部门的实际工作中, 通常采用建立 测技术提供理论依据. 随机检查点用呼气酒精含量检验来判断驾驶员是 否存在酒后驾驶行为. 但是这种建立随机检查点的 2 原理与实验系统 方法有很多缺点: 阻碍交通, 浪费时间, 开销大, 只 2.1 基本原理 能对选定的车辆进行检查, 并且需要交警的参与和 驾驶员的配合3 . 为解决上述问题, 迫切需要研究 根据Lambert-Beer 定律, 强度为 、频率为 一种远距离非接触式快速测量方法. 的单色激光, 通过长度为 的吸收介质后, 在接收 4 端测得的光强为 , 由于分子吸收而产生的吸收截 可调谐红外激光吸收光谱(TDLAS) 技术 , 能够快速扫描各种目标气体浓度, 具有实时快速、 面
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