基于QEPAS的植株CO-2吸收速率检测系统研究.doc

基于QEPAS的植株CO_2吸收速率检测系统研究
植物碳汇,是指利用植物光合作用吸收大气中的二氧化碳,并将“碳”固定到植被与土壤中进而有效减少温室气体,尤其是CO2气体在大气中的浓度。碳汇造林过程中需要进行碳汇计量和监测工作,需要持续、实时、灵敏地进行痕量气体浓度检测。石英音叉增强型光声光谱(QEPAS)技术是一种新型的基于红外吸收光谱的气体检测技术,具有气体选择性好、响应速度快、灵敏度较高的优势。
但近红外QEPAS也存在检测下限较高,痕量检测范围内灵敏度较低问题,需要进行进一步的优化以满足碳汇计量的痕量检测需求。本文首先阐述了 QEPAS技术中的分子光谱,Beer-lambert定律,波长调制原理,谐波检测原理,和石英音叉的特性。根据Hitran吸收光谱数据库选择近CO2气体红外区域1580.0395nm的吸收谱线作为待测线;搭建了基于近红外QEPAS的痕量CO2气体浓度检测系统,使用中心波长为1.58μm的分布反馈式半导体激光器(DFB)为激励光源;使用互阻抗前置放大器和锁相放大器实现信号的解调和滤波;使用LabVIEW平台实现信号的采集与处理。
由Beer-Lambert定律和波长调制原理出发,推导谐波分量表达式,在Matlab软件上通过编程,模拟了二次谐波信号幅值随波长调制系数的变化。通过实验测量了二次谐波信号随调制系数的变化曲线,将测量数据与模拟结果进行对比,结果显示模拟结果与实验数据高度吻合,验证了波长调制系数模拟的有效性,并得到了最佳调制系数2.2与对应的最佳调制电流值10mA;对光声探测模块也进行了优化设计,完成了石英音叉与信号处理电路的低噪声连接,有效降低了噪声信号幅值;选用共轴谐振管并优化参数,将二次谐波信号峰值提高为优化前的1.68倍。在优化后的气体浓度检测系统上进行了检测下限和线性度实验,系统的检测下限从优化前的496ppm降低为71ppm;信噪比提高为14,提高为优化前信噪比的7倍。
实验结果证明了优化方法能够有效地降低系统的检测下限,提高了信噪比,增强了检测系统对复杂环境的适应能力。最后在优化的检测系统的基础上,搭建基于QEPAS的植株C02吸收速率检测系统。将不同种类的四种植株放入密封箱,分别记录在一小时内,箱内环境中C02气体浓度的变化曲线,得到了四盆植株的CO2吸收速率。
为了更进一步验证检测系统在改进后的应用效果,又对弱光强条件下的两盆同种植株分别进行检测。之后根据推导出的公式计算各个植株的单位叶面积日固碳量,与通过查询文献得到的准确数据进行对比并计算测量相对误差,验证了系统计量植株碳汇的准确性。