差分吸收光谱工作原理
烟气紫外差分光谱法原理干扰因素
烟气紫外差分光谱法原理干扰因素
烟气紫外差分光谱法的原理是利用吸收分子在紫外到可见光段的特征吸收来研究大气层的痕量气体成分。
然而，在实际应用中，可能会受到一些干扰因素的影响，包括：
1. 颗粒物散射：烟气中的颗粒物会对紫外光产生散射作用，从而影响差分吸收光谱的测量结果。
2. 气体浓度波动：烟气中气体浓度的波动可能会影响紫外差分光谱的测量精度。
3. 仪器误差：紫外差分光谱仪本身可能存在误差，如光路准直、光强稳定度等，这些因素会影响测量结果。
4. 环境因素：温度、湿度、压力等环境因素的变化可能会影响烟气的成分和浓度，从而影响紫外差分光谱的测量结果。
为了减小这些干扰因素，可以采取以下措施：
1. 在采样时尽可能减少颗粒物进入采样系统。
2. 采用在线校准方法来修正气体浓度波动对测量结果的影响。
3. 对紫外差分光谱仪进行定期维护和校准，以确保其测量精度。
4. 在采样时记录环境因素，以便对测量结果进行修正。
紫外差分吸收法原理
3.1 DOAS 测量原理从稳定光源发出的光I o (λ，L)，通过气室后，由透镜收集光会聚进入光谱仪。
由于沿光程的气体分子的吸收、分子散射，导致了接收光强减弱。
在光通过距离L 的光程后，接收光I （λ，L ）可以由Lambert-Beer 定律来表示：00(,)(,)exp[((,,)()(,)(,))]()l Lj j R M j l I L I L p T c l l l dl N λλσλελελλ===⋅-⋅+++∑⎰ (3.1)对于每一种气体，(,,)j p T σλ是在波长λ，压力p 和温度为T 时的吸收截面。
()j c l 是沿光程在距离l 处的密度。
M ε和R ε分别表示瑞利散射、Mie 散射的消光系数。
N (λ)是光强I （λ，L ）上的光子噪声。
在图3.1a 中，I （λ，L ）为通过大气的后光谱(为了简化说明，假设其中只含有甲醛的吸收)。
在大多数的DOAS 系统中，回来的光被聚焦到光谱仪的入射狭缝上，经光谱仪分光，光谱由探测器记录。
由于光谱仪有限的分辨率，光谱I （λ，L ）的形状发生了变化，这个过程的数学描述是大气光谱I （λ，L ）与光谱仪的仪器函数H 进行卷积，图3.1b 表示与典型的仪器函数H 卷积后，投影在探测器上的光谱I*（λ，L ）。
在探测器记录光谱的过程中，光谱范围被映射为n 个离散的像元（PDA 或CCD 探测器），用i 来表记，每个像元表示从λ(i)到λ(i+1)的间隔积分。
这个间隔可以根据波长－像元映射ΓI 计算得到。
对于线性色散（:()(0)I i i λλγΓ=+⋅）, 像元的光谱宽度为常数（0()(1)()i i i λλλγ∆=+-=）。
像元i 上的光强'()I i 表示为（忽略任何的仪器因子，如不同像元的响应不一样），(1)()'()(',)'i i I i I L d λλλλ+*=⎰（3.2）一般而言，波长－像元映射ΓI 可以用多项式来表示：0:()qk I k k i i λγ=Γ=⋅∑ （3.3）矢量（k γ）确定了像元i-波长λ（i ）的映射。
紫外烟气综合分析仪采用的紫外差分吸收光谱技术是如何实现测量的
紫外烟气综合分析仪采用的紫外差分吸收光谱技术是如何实现测量的青岛众瑞便携式紫外烟气综合分析仪（H款，热湿法）采用紫外差分吸收光谱技术测量烟气中的SO2、NO、NO2和NH3，其中紫外差分吸收模块在热湿状态下进行测量，避免除水造成的烟气组分损失。
紫外差分吸收光谱技术原理：当紫外-可见连续光谱经过含有被测污染气体的样气时，特定波长光能被样气中的污染气体吸收，光的吸收（吸光度）与污染气体浓度呈正比，采用光谱分析和化学计量学方法建立起实验室标定吸光度和污染气体浓度之间的经验曲线，根据现场被测样气的吸光度实时计算样气中污染气体浓度。
在实际测量中，不仅存在气体分子对光的吸收，还存在瑞利散射、米氏散射等对光的衰减作用，差分吸收的基本思想是将气体分子的吸收截面分为两个部分，一是随波长作缓慢变化的宽带光谱结构，即低频部分，二是随波长作快速变化的窄带光谱结构，即高频部分。
DOAS方法利用吸收光谱的高频部分计算得出气体浓度。
由于DOAS方法分析的是吸收光谱的高频部分，而水汽、烟尘和其他一些成分的吸收光谱均属于低频，因此DOAS技术可以有效地去除水汽、烟尘等对测量结果的影响，使测量结果可以更准确、更稳定、更可靠。
同时，由于每种气体分子都有其特征吸收光谱，使得DOAS可以同时测量多种气体组分。
青岛众瑞便携式紫外烟气综合分析仪（H款，热湿法）采用紫外差分吸收光谱技术测量烟气中的SO2、NO、NO2和NH3，可选O2、CO、CO2、H2S传感器测量气体浓度，不受烟气中水蒸气影响，具有较高的测量精度和稳定性，特别适合高湿低硫工况测量。
整机采用一体便携式设计，采样管和主机为一体，携带方便。
可供环境监测部门对各种锅炉排放的气体浓度、排放量进行检测，也可应用于工矿企业进行各种有害气体浓度的测量。
1。
非分散红外技术的水面CO2浓度检测系统设计探讨
非分散红外技术的水面CO2浓度检测系统设计探讨摘要：水生态环境监测是水生态保护的基础，而水面CO2浓度是水体表面与大气的一个重要环境参数，其浓度监测结果对水体环境保护和治理具有重要意义。
目前对CO2的浓度检测方法主要有光学法、电化学法和色谱法。
这些方法各有其优缺点。
红外技术具有测量精度高、响应速度快、无二次污染等优点，因此将红外技术应用于水体CO2浓度检测中具有一定的现实意义。
本文主要基于非分散红外光谱技术，提出了一种利用红外技术在线监测水面CO2浓度的方案，并设计了相应的系统，实现了在水中实时监测水面CO2浓度值，为后续水质监测与治理提供了数据支撑。
关键词：非分散；红外技术；水面；CO2；浓度检测；系统设计1、引言CO2是大气中的重要组成部分，其浓度的变化与全球气候变化密切相关，因此，对大气CO2浓度进行实时检测是水生态环境监测的重要组成部分。
目前国内外对CO2浓度的检测主要采用光学法，电化学法和色谱法三种方法。
前两种方法受条件限制，检测精度较低，色谱法测量速度慢且容易造成二次污染。
采用红外技术对CO2进行检测具有不受样品溶液中有机物干扰的特点，因此将红外技术应用于水面CO2浓度检测具有一定的现实意义。
2、非分散红外吸收技术的差分光谱吸收法系统原理探讨基于非分散红外光谱技术的水面CO2浓度检测系统主要由光传感器、数据采集系统、数据处理系统及显示系统四部分组成。
其工作原理是将水面上CO2浓度值通过检测器采集到传感器中，经数据采集系统进行数据处理，可得水面上CO2浓度值。
由于水面上存在有水、油等物质，这就对传感器的安装提出了一定的要求。
因此，为了保证传感器的正常工作，需要在传感器安装时将其安装于水中，并进行密封处理。
系统采用两个相同波长的光源进行测量，并在此基础上建立差分吸收模型以计算出CO2的浓度值。
差分吸收模型的原理是CO2气体分子在某一特定波长处有一定的吸收率，其浓度值与吸收率成正比。
为了满足传感器的安装要求，在传感器安装时将其进行密封处理。
浅谈差分吸收光谱技术及在大气监测领域中的应用
浅谈差分吸收光谱技术及在大气监测领域中的应用差分吸收光谱技术是近年来应用较为广泛的大气监测方法之一，具有高效率、大范围、便于操作等方面的优势，可以用于大气领域的长期监测工作。
为此，本文针对差分吸收光谱技术的原理与技术要点进行分析，并探讨这门技术在大气监测领域中的应用，希望能够推进这种技术在更加广泛的领域应用。
标签：差分吸收光谱技术；大气监测；比尔-郎博特定律前言：近年来，人们在生产与生活过程中给周边环境造成的影响越来越大，大气污染、臭氧空洞与厄尔尼诺现象逐渐加剧，人们愈发关注环境问题，雾霾及PM2.5对于大气环境的影响也逐渐成为近年来的热门词汇，这种情况下，研究差分吸收光谱技术及其在大气监测中的具体应用，对于探究大气问题具有重要作用。
1.差分吸收光谱技术原理本质上来说，差分吸收光谱技术是利用光谱会被分子所吸收的特性，并根据比尔-郎博特定律中对于不同分子对光辐射区别吸收特点对空气成分与浓度进行判断的一种方法。
当空气或空气池中经过同一束光线时，空气中的不同分子会对光线进行有差别的吸收，会影响光线的波长、强度与光子的组成，被空气分子吸收之后的光谱，同原本的光谱相互对比，即为吸收光谱，此时分析吸收光谱就可以确定空气中某些物质的成分与数量。
一般来说，运用差分吸收光譜技术来监测空气情况，会采用光源、空气池、望远镜设备来进行，由光源发出光束，经过空气池最后通过望远镜来观察，在这一过程中，光线会经过不同的分子吸收与散射作用发生改变。
根据比尔-郎博特定律，光线经过一段分散均衡、厚度（L）一定、密度（C）一定的空气时，透射后的光线强度为I（λ，T，P）和透射前的原光线强度I0（λ）之间的关系为这其中，σ是气体吸收光线谱时的横截面，是一个函数，其种类在于光谱波长、空气温度与压力、空气中分子的种类，其单位为cm2/mole。
空气池中的真实温度与压力，会影响空气吸收光谱的横截面，对光产生散射作用，当空气温度升高18°R，光栅光谱设备就会产生1个像素的位移，当光谱出于室内正常温度或者高温情况下，空气温度与压力对于空气吸收光谱横截面的影响也会对计算带来不利影响，在空气中，光线的强度会随着空气分子的吸收而逐渐衰减，空气内分子对于光子的吸收与散射作用的叠加，其结果如下：这其中，σi是i类型的空气吸收光谱时的横截面；Ci是i类型的空气从空气厚度L中的平均密度；εM是光线的米氏散射系数；εR是光线的瑞利散射系数；A是测量系统与光线波长关系转变较为缓和的结构。
差分光学吸收光谱
差分光学吸收光谱（Differential Optical Absorption Spectroscopy, DOAS）是一种先进的环境监测技术，用于测量大气中痕量气体的浓度。
其基本原理基于不同气体分子在特定波长范围内对太阳光或人工光源的特征吸收现象，并通过比较测量光谱与参考光谱之间的差异来确定目标气体的浓度。
DOAS技术的工作流程包括以下步骤：
光源：使用自然光（如日光）或人造光源发出连续的紫外至可见光谱范围内的光。
光路传输：光线穿过待测的大气层，在这个过程中，气体分子会根据自身的吸收特性吸收部分特定波长的光。
光谱采集：通过望远镜、光纤或其他光学系统收集穿过大气后到达地面或反向散射回来的光信号，并聚焦到光谱仪入口狭缝。
光谱分析：光谱仪将接收到的光信号转换为电信号，然后进行分光和探测，得到连续的光谱数据。
差分处理：根据Lambert-Beer定律计算并分析每个波长点处的光强变化。
通过对测量光谱和背景/清洁空气光谱进行数学上的差分运算，提取出目标气体特有的窄带吸收结构，消除宽谱吸收和其它非目标气体的影响。
反演算法：应用差分吸收光谱反演算法，解算出沿光路路径上目标气体的平均浓度。
DOAS技术的优势在于：
非接触式测量，不受采样器影响。
可实时检测多种气体，具有较高的灵敏度和准确性。
能够有效抑制背景噪声和多组分混合气体干扰。
适用于远程测量，获取较大区域内的平均气体分布信息。
这项技术广泛应用于空气质量监测、环境污染源排放监测、大气化学研究以及环境保护等领域。
发动机排放气体浓度差分吸收光谱法测量
发动机排放气体浓度差分吸收光谱法测量
发动机排放气体浓度差分吸收光谱法是一种常用的测量方法，用于测量发动机排放气体中各种成分的浓度。
该方法基于差分吸收光谱原理，通过将测量光束分为两个通道，一个用于引导样品气体，另一个作为参比通道。
样品通道中的气体与参比通道中的气体进行比较，通过测量两个通道中的光强差异来计算气体的浓度。
具体实施中，首先选择合适的测量波长，通常是待测气体吸收峰的波长。
然后，将光束分为样品通道和参比通道，并通过光学元件引导到对应的检测器中。
在样品通道中，引导发动机排放气体，气体中的吸收组分会吸收特定波长的光线，导致光强减弱。
而在参比通道中，引导一个不含待测气体的气体，作为参照，不会发生吸收。
两个通道中的光强差异就是待测气体的吸收强度。
通过不断扫描选择的测量波长，并记录两个通道接收到的光强，可以得到一个光谱图像。
根据不同气体的吸收特性和已知浓度的参考样品，可以建立浓度与吸收强度之间的关系，从而计算待测气体的浓度。
需要注意的是，发动机排放气体中可能同时存在多个气体成分，需要根据不同的吸收特性选择不同的测量波长，并采用多通道的差分吸收光谱法进行测量和计算。
总的来说，发动机排放气体浓度差分吸收光谱法是一种可靠、准确的测量方法，广泛应用于发动机排放气体分析和环境监测领域。
差分吸收光谱法污染物连续监测系统
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（ ． ｉ ｊ ｌ ｏ ｍｕ ｉ ｔｎｏ ｃ ， ｉ ｊ ０ ０ １ ． ｎｖｒｉ ｆ ｈｎｈｉ ｏ Ｓｉ ｃ ｎ ｅｈ ｏ ｇ １ Ｔａ ｉ ｔｅ ｍ ｎｃ ｉ ｆ ｅ Ｔａ ｉ ３０ ４ ；２ Ｕ ｉｅｓｙｏ ａｇａ ｆｒ ｃ ｎ ｅａｄＴ ｃ ｎｌ ｙ ｎｎ ｅ ｃ ａｏ ｉ ｎｎ ｔ Ｓ ｅ ｏ ｓ ｈ ２０ ９ ） ０ ０３
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差分吸收光谱工作原理
一、吸收光谱法的基本原理
吸收光谱法就是利用气体的这种特性来测定排放烟气中所含有的气体成分及其浓
度，它是进行定量分析的有用工具，可以用于常量和超微量组分的测定，也可以对多组
分同时测定。
紫外——可见吸收光谱定量分析的
理论依据依然是Lambert-Beer定律。
在某
一波长λ下，当一束光强为I(λ)的测量0
光照射到被测量区域，被气体分子吸收
后，透射光强减弱为I(λ)，如图2-2所示。
根据Lambert-Beer定律，可得:
,Lc,(,)(2-9) I(,),I(,)e0图1 Lambert-Beer定律原理示意图
I(λ)=I0e-LCσ(λ)
式中:
C——为被测气体浓度，
L为测量光程长度，——
σ(λ) ——为气体分子的吸收系数。
二、差分吸收光谱法的基本原理
[31~33]自1975年差分吸收光谱法(DOAS)被提出，并于以后用于测量大气中污染气体
浓度开始，就逐渐在环境检测领域得到了广泛的应用。
人们使用差分吸收光谱法可以监
测到同温层中的HONO、OH、
NO、BrO、ClO等这几种重要3
的污染气体、也可以利用一些
气体如:NO、NO、NH、ClO、23
IO、O、SO、CS、HCHO和许322
多的芳烃化合物等在紫外和
可见光区域的吸收特性来监[24]测它们的浓度、还可以利用
吸收光谱结构计算后的残留
结构发现新的污染气体。
差分
吸收光谱法最主要的优点是
可以在不受被测对象化学行
为干扰的情况下来测量到它
们的绝对浓度。
也正是因为这
一点，差分吸收光谱法常用来
测量那些化学行为较活泼的
气体，例如:OH，NO，BrO等; 3
另外差分吸收光谱法还可以图2 DOAS测量污染气体浓度的测量装置图通过分析几种气体在同一波
1
段的重叠吸收光谱，来同时测定几种气体的浓度。
差分吸收光谱法正是具有这些优点，才实现了多种气体的在线同时测量和监测仪器的在线化。
差分吸收光谱法测量污染气体浓度的典型测量装置如图3-1所示[24]。
由稳定光源
I(,)0发出强度为的一束光，经透镜后形成平行光束，平行光束经过含有气体的测量室
I(,,L)后，由于各种不同气体的吸收及空气分子和气溶胶粒子的散射作用，强度衰减为，
I(,,L)根据Lambert-Beer定律，的大小由(3-1)式给出:
LABS,I(,L),,I()exp{,[,,(,p,T)，,(l)],,,(,l),,(,,l)dl}，
N(,),jjRM0,0j(3-1)
ABS,(,,p,T)jl其中气体j的吸收特性由吸收截面积定义，在光程点的吸收截面积是波长
,(l)jλ、压力p 、温度T的函数，它与气体分子数量密度的乘积反映了气体吸收的光
,(,,l),(,,l)RM谱特性;气溶胶的米氏散射和瑞利散射分别用和表示，它们也是波长λ
N(,)I(,,L)l和光程的函数;是光子噪声，它与有关。
图3-1中的光谱a 是经过光程
I(,,L)，含有某些被测气体的测量室后的吸收光谱。
差分吸收光谱法的基本内长度为L
ABSB'B,,,，,,jjjj容就是对被测气体吸收截面积进行分离，即:，其中为宽带吸收特征;'',,jj为为窄带吸收特征，也称为差分吸收系数。
如果我们仅仅考虑，那么研究中便可以避免瑞利散射和米氏散射。
在大部分的测试系统中，需要用光学元件将光聚焦在光谱仪的入口狭缝，然后由光谱仪的探测系统识别和记录光谱，将接收的光信号转换为相应的电信号。
可见，将光源发出的连续光信号识别为连续的光谱这一过程是由光谱仪来决定的，所以光谱仪的仪器结构和工作原理就决定了实际测量的光谱的形状。
为了较为直观地描述这一过程，将未
*I(,,L)被光谱仪识别的光记为，经光谱仪识别后的光谱记为，那么光谱仪接收I(,,L)
*I(,,L)后的光信号与接收前的测量光信号的关系可由(3-2)式来表示: I(,,L) * (3-2) I(,,L),I(,,L)*H
式中:H——为仪器函数，它一般由仪器结构和仪器的工作原理所决定的。
如图2中的
*光谱b所示，即为光谱仪接收的光信号 I(,,L)
光谱仪识别光源所发出连续光的光谱并将它们记录下来，一般过程为:测量光通过入射狭缝照射在光谱仪的分光元件上，分光元件将测量光信号分解为连续光谱，然后将这些光谱信号照射到光电元器件上，再由这些光电元器件将光信号转换为电信号。
虽然理论上我们可以得到光的连续光谱，但是在用CCD光纤光谱仪实际测量过程中却只能够用离散的测量值来将测量光谱曲线描述出来，这就需要在所使用的波长范围内将光谱离散为n个象素点(用i表示)。
为了得到每一象素点上的光强，需要在每一个象素点的
,(i),(i，1)一定波长间隔内对测量光强进行积分，即从到对光强进行积分，这样就可以
,(i),(i，1)得到光源所发出的光的离散光谱曲线。
积分过程中从到这一波长间隔的大小是由光谱仪的波长-象素映射函数给出的。
在线性分布的情况下，函数可以表示为:,,iI
，每一象素所跨越的光谱宽度可表示为:，,(i),,(0)，,，i,,(i),,(i，1),,(i),,00
'可见为常数。
如果忽略仪器的其它影响因素的话，那么象素i点的信号为:) ,I(i)0
(i，1),*I'(i),I(,')d,' (3-3) ,(i),
2
通常而言，波长—象素映射函数可由一个多项式近似:
qk,:,(i),,i (3-4) ,Ik,0k
式中:—多项式系数; ,k
—多项式次数。
k
(3-4)式所示的波长—象素映射函数，也可称为波长—象素标定函数，式中多项式的系数一般通过实验测得。
多项式首项系数表示测量光谱的象移; 表示对测量,,01光谱波长在象素上线性的压缩或者拉伸;当时，表示测量光谱波长在象素上更k,1,k
高阶次的扭曲程度。
(3-4)式中的多项式系数除了受光谱仪自身结构和工作原理的影响以外，还受测量条件的影响。
当光谱的测量条件不同时，会随之变化。
例如:每K温,k
度的变化会使光栅光谱仪测量的光谱曲线产生1/10个象素的漂移;另外由于折射的原因，大气压力不同也会影响所测光谱曲线的形状。
例如:在2400m高度的压力(近似为[28]750mbar)下，光栅光谱仪测量的光谱曲线相对于海平面大约会有0.2个象素的变化。
因此在实际测量过程中，必须对这些因素的影响进行校正。
''图2中的光谱c显示的是计算机记录和储存的离散光谱。
对取对数，并令
I(i)I(i)J(i),ln[I'(i)]，则(3—1)式可以改写为:
m''J(i),J(i)，,，S，B'(i)，R'(i)，A'(i)，N'(i) (3-5) ,jj0,j1
'S(i)式中:—为实验室测得的各被测气体的差分吸收系数，也就是被测气体的吸收结j
构，它可由气体j的吸收截面积和仪器函数H的变换得到，其计算公式
''S(,),ln[exp(,,(,))*H]为:; jj
'''',,,,,，L —比例因子，它受光程L上的平均量子密度的影响，可由来
jjjj
计算;
'B(i)—吸收光谱的宽带吸收特征;
R'(i)—颗粒的散射效应;
A'(i)—探测器或光谱仪的光谱灵敏度的变化;
N'(i)—光谱仪探测器和光子噪声的总和。
(3-5)式不仅可以用来计算测量室中单种气体的浓度，而且还可以计算多种气体重叠吸收谱线的和。
当使用(3-5)式来同时检测多种气体浓度时，式中j就表示了不同种类的气体。
在实际应用中，吸收气体的数目m是由光谱仪器所能够探测到的吸收光谱的精确度所限制的。
当吸收光谱的强度随着波长变化时，(3-5)式所包括的气体种类的数目也随着所观察波长和所探测气体的变化而变化。
一般来说，差分吸收光谱仪器所[25]能够探测到的气体种类为2—10种。
这样我们就可利用测量的吸收重叠光谱来计算出各种气体的浓度，以达到同时测量同一测量室中所含多种污染气体的浓度。
当然，如果要从这些重叠的吸收谱线中得到各种气体的浓度，则必须要将重叠谱线进行数值分离[30]。
3
光谱仪光路图
4。