基于QEPAS的植株CO2吸收速率检测系统研究

摘要

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CO2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CO2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。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究目的及意义

1．2 简介几种已得到广泛应用的气体检测技术

1．3 石英增强型光声光谱技术研究发展现状

1．4 本文的主要研究内容

2 QEPAS理论基础与检测系统原理

2．1 红外吸收气体检测理论

2．1．1 分子光谱理论

2．1．2 Beer-Lambert吸收定律

2．2 波长调制与谐波检测技术

2．2．1 波长调制原理

2．2．2 谐波检测原理

2．3 QEPAS技术

2．3．1 石英音叉

2．3．2 QEPAS系统检测原理

2．4 本章小结

3 波长调制系数优化的模拟与验证

3．1 直接吸收信号的模拟

3．2 频率调制和光强调制对谐波信号的影响

3．2．1 频率调制对谐波信号的影响

3．2．2 光强调制对谐波信号的影响

3．3 调制系数对二次谐波信号的影响

3．3．1 二次谐波信号峰值随调制系数变化的理论计算

3．3．2 对模拟结果的实验验证

3．3．3 测量不同浓度条件下的最佳调制电流

3．4 本章小结

4 气体浓度检测系统优化与实验结果

4．1 原气体浓度检测系统实验结果

4．2 气体浓度检测系统优化

4．2．1 光声探测模块优化设计

4．2．2 共轴微谐振管优化

4．2．3 系统检测极限测量实验与数据对比

4．2．4 系统检测准确度与线性度实验

4．3 本章小结

5 植株CO2吸收速率检测系统

5．1 实验前准备

5．2 植株CO2吸收速率检测系统搭建与实验结果

5．3 植株单位叶面积日固碳量计算与误差分析

5．3．1 植株单位叶面积日固碳量计算

5．3．2 数据误差分析

5．4 同种植株在较弱光强下的CO2吸收速率检测

5．5 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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