基于可调谐半导体激光吸收光谱的酒精蒸汽检测方法 - 物理学报.pdfVIP

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