首页 > 论文 > 激光与光电子学进展 > 56卷 > 21期(pp:213001--1)

基于石英增强光声光谱的H2S痕量气体检测研究

Detection of Trace Sulfur Dioxide Gas Using Quartz-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy

  • 摘要
  • 论文信息
  • 参考文献
  • 被引情况
  • PDF全文
分享:

摘要

以输出波长为1578 nm的分布式反馈半导体激光器作为激发光源,结合波长调制及二次谐波技术对H2S痕量气体进行基于石英增强光声光谱技术(QEPAS)的检测研究。采用有限元分析法对QEPAS中常用的石英音叉进行仿真计算,得到石英音叉的前6阶模态振型与共振频率。实验中,添加了长为4 mm、内径为0.7 mm的声波微共振腔,优化了跨阻放大电路,在最优实验条件下对H2S气体进行检测,检测结果表明,QEPAS系统的二次谐波信号与H2S浓度具有良好的线性关系,获得的探测极限为19.3×10 -6。

Abstract

By combining the wavelength demodulation and second harmonics, the trace H2S gas is detected based on the quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS). A distributed feedback semiconductor laser with an output wavelength of 1578 nm is used as the excitation source. Furthermore, a finite element analysis method is used in the simulation calculation for a quartz tuning fork, typically used in QEPAS systems, to obtain its first six modes and resonance frequencies. In an experiment, an acoustic micro-resonator with a length of 4 mm and an inner diameter of 0.7 mm is added, and a transimpedance amplifying circuit is optimized to detect the H2S gas under optimal experimental conditions. The results denote that the second harmonic signal of the QEPAS system exhibits a strongly linear relation with the H2S gas concentration, and a detection limit of 19.3×10 -6 is obtained.

广告组6 - 调制器
补充资料

中图分类号:O433.5

DOI:10.3788/LOP56.213001

所属栏目:光谱学

收稿日期:2019-04-18

修改稿日期:2019-05-06

网络出版日期:2019-11-01

作者单位    点击查看

张蕾蕾:中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽, 合肥 230026中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽, 合肥 230031
刘家祥:中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽, 合肥 230031
朱之贞:中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽, 合肥 230031
方勇华:中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽, 合肥 230026中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽, 合肥 230031
吴越:中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽, 合肥 230031
杨文康:中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽, 合肥 230031
陶孟琪:中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽, 合肥 230031
宁志强:中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽, 合肥 230026中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽, 合肥 230031

联系人作者:方勇华(zlleva@foxmail.com)

【1】Wu H P. Research of new quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy technique. Taiyuan: Shanxi University. 80-81(2017).
武红鹏. 新型石英增强光声光谱技术研究. 太原: 山西大学. 80-81(2017).

【2】Viciani S, de Cumis M S, Borri S et al. . A quartz-enhanced photoacoustic sensor for H2S trace-gas detection at 2.6 μm. Applied Physics B. 119(1), 21-27(2015).

【3】Tang M, Tu Z Q and Wu M C. Analysis of hydrogen sulfide in natural gas by lead acetate reaction rate method. Chemical Engineering of Oil and Gas. 30(1), 41-44(2001).
唐蒙, 涂振权, 吴敏初. 醋酸铅反应速率法检测天然气中的硫化氢. 石油与天然气化工. 30(1), 41-44(2001).

【4】Tang D L, Wang Y, Guo F et al. Optical H2S gas sensor based on spectrum-absorption. Chinese Journal of Sensors and Actuators. 23(4), 458-460(2010).
唐东林, 王莹, 郭峰 等. 光谱吸收硫化氢气体浓度传感器. 传感技术学报. 23(4), 458-460(2010).

【5】Huang Y H. Measurement of sulfureted hydrogen content in natural gas-main factor in iodimetry affecting analysis result. Natural Gas and Oil. 25(1), 23-25(2007).
黄韵弘. 天然气中硫化氢含量的测定--碘量法影响分析结果的主要因素. 天然气与石油. 25(1), 23-25(2007).

【6】Li S G, Wei Z J and Sun Z L. Static evaluation experiment and understanding of sulfur removal effect of drilling fluid desulfurizer. Natural Gas Industry. 32(8), 82-87(2012).
李树刚, 魏振吉, 孙中磊. 钻井液除硫剂除硫效果的静态评价实验及认识. 天然气工业. 32(8), 82-87(2012).

【7】Fei Y W, Li X Y, Yang H W et al. Gas chromatography-based comparative test on oil and gas evaporation loss online detection. Oil & Gas Storage and Transportation. 32(1), 59-62(2013).
费逸伟, 李晓越, 杨宏伟 等. 油气蒸发损耗气相色谱在线检测对比试验. 油气储运. 32(1), 59-62(2013).

【8】Yuan X, Hu C, Gu T et al. Application of hydrogen monitoring technology in sulfur gas transmission pipeline. Chemical Engineering of Oil and Gas. 44(1), 67-69(2015).
袁曦, 胡超, 谷坛 等. 氢监测技术在含硫输气管线上的应用. 石油与天然气化工. 44(1), 67-69(2015).

【9】Wang Y and Zhang R. Photo detector characteristics effect on TDLAS gas detection. Acta Optica Sinica. 36(2), (2016).
王燕, 张锐. 光电探测器特性在TDLAS气体检测中的影响. 光学学报. 36(2), (2016).

【10】Nikodem M. Chirped laser dispersion spectroscopy for laser-based hydrogen sulfide detection in open-path conditions. Optics Express. 24(10), A878-A884(2016).

【11】Hu X J, Mo X B, Qing S X et al. Online analysis of H2S in natural gas based on laser absorption spectroscopy technology. Natural Gas Industry. 35(6), 99-103(2015).
胡雪蛟, 莫小宝, 青绍学 等. 天然气中硫化氢的激光吸收光谱法在线分析. 天然气工业. 35(6), 99-103(2015).

【12】Zhao Y D. The research of novel resonant quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy. Hefei: University of Science and Technology of China. 24-28(2017).
赵彦东. 新型共振石英增强光声光谱技术研究. 合肥: 中国科学技术大学. 24-28(2017).

【13】Ma Y F, Yu G, Zhang J B et al. Research on real-time trace gas detection system based on QEPAS. Spectroscopy and Spectral Analysis. 35(11), 3003-3006(2015).
马欲飞, 于光, 张静波 等. 基于石英增强光声光谱的痕量气体实时检测研究. 光谱学与光谱分析. 35(11), 3003-3006(2015).

【14】Chen S W, Sun T and Tang D L. Research on hydrogen sulfide sensor based on harmonic detection. Journal of Transduction Technology. 30(1), 31-34(2017).
陈书旺, 孙涛, 唐东林. 基于谐波检测的硫化氢气体传感器研究. 传感技术学报. 30(1), 31-34(2017).

【15】Usher M B. Landscape sensitivity: from theory to practice. Catena. 42(2/3/4), 375-383(2001).

【16】Cheng G, Cao Y, Liu K et al. Modal simulation calculation and research of tuning fork based on QEPAS system. Spectroscopy and Spectral Analysis. 39(1), 31-38(2019).
程刚, 曹渊, 刘锟 等. QEPAS系统中石英音叉模态仿真计算与研究. 光谱学与光谱分析. 39(1), 31-38(2019).

【17】Kosterev A A, Tittel F K, Serebryakov D V et al. Applications of quartz tuning forks in spectroscopic gas sensing. Review of Scientific Instruments. 76(4), (2005).

【18】Zha S L, Liu K, Zhu G D et al. Acetylene detection based on resonant high sensitive photoacoustic spectroscopy. Spectroscopy and Spectral Analysis. 37(9), 2673-2678(2017).
查申龙, 刘锟, 朱公栋 等. 基于共振型高灵敏度光声光谱技术探测痕量乙炔气体浓度. 光谱学与光谱分析. 37(9), 2673-2678(2017).

引用该论文

Zhang Leilei,Liu Jiaxiang,Zhu Zhizhen,Fang Yonghua,Wu Yue,Yang Wenkang,Tao Mengqi,Ning Zhiqiang. Detection of Trace Sulfur Dioxide Gas Using Quartz-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2019, 56(21): 213001

张蕾蕾,刘家祥,朱之贞,方勇华,吴越,杨文康,陶孟琪,宁志强. 基于石英增强光声光谱的H2S痕量气体检测研究[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(21): 213001

您的浏览器不支持PDF插件,请使用最新的(Chrome/Fire Fox等)浏览器.或者您还可以点击此处下载该论文PDF