低温CO2吸收系数与温度的关系

陶凯晨 武向农

摘 要： 针对HITRAN数据库缺乏CO2在低温条件下的吸收谱线研究数据的问题，对波长位于1572.34 nm处的低温下CO2吸收谱线进行了研究，得到250～500 K范围内CO2吸收系数的温度依赖经验公式.将该经验公式与文献中的实验数据进行计算对比，得到了气体质量分数平均误差为3.305%的对比结果.

关键词： HITRAN数据库; 谱线强度; 吸收系数; 温度

中图分类号： TP 344.1文献标志码： A文章编号： 1000-5137（2019）01-0081-05

Abstract： This article studied the absorption line of carbon dioxide gas with wavelength at 1572.34 nm in the low temperature range，which was lack of data for CO2 absorption lines at low temperatures in the absorption spectrum data of HITRAN database.An empirical formula for the temperature dependence of carbon dioxide gas absorption coefficient in the temperature range of 200～500 K was obtained.Finally，the empirical formula was compared with the experimental data in the literature to calculate the gas concentration，by which an average error of 3.305% was achieved.

Key words： HITRAN database; spectra intensity; absorption coefficient; temperature

0 引 言

随着大气中的CO2浓度的增加，全球温室效应日渐严重.CO2是人体呼出气体中的重要组成部分，检测呼出气体中CO2的浓度，可以得到人体重要的生理参数.因此，对CO2浓度的检测越来越受到研究人员的重视，其中基于比尔-朗伯吸收定律的CO2吸收谱浓度检测方式具有检测精度高、结构简单等特点，是CO2浓度检测的热点[1].

由于温度的变化会影响到CO2的谱线强度及半峰全宽，进而影响吸收系数，导致CO2浓度检测精度出现偏差[2]，有必要对CO2吸收系数的温度依赖关系进行分析研究.国内对于CO2吸收谱线的研究较少，且大部分研究工作集中在高温区段，缺少对低温区段的理论分析.朱湖飞等[3]利用双光路探测系统，研究了温度和压强对CO2吸收谱线的影响，但没有得到确定的温度和吸收系数的依赖关系.王敏锐等[4]通过搭建的高温测量系统，记录了300～800 K范围内CO2的高温吸收谱线，其结果与HITRAN数据库中的数据比较，偏差小于3%，但缺少低温部分的数据和理论分析.国外对气体吸收谱线的研究起步较早，但针对CO2在1.572 μm波长附近吸收系数的研究相对较少.BOUDJAADAR等[5]利用傅里叶变换红外光谱技术，获得了1.6 μm波长附近的CO2吸收谱线强度等参数信息，不过其理论研究大多是针对常温状态.KLIMESHINA等[6]搭建的测量系统对波数范围为7000～8000 cm-1的CO2吸收谱线的吸收系数进行了测量.

本文作者针对CO2在低温条件下的吸收谱线数据，推导了1572.34 nm波长处CO2吸收系数与温度（250～500 K）的一般关系式，将该公式进行了拟合仿真分析，并与文献[7]的结果作了对比验证，为后期检测CO2浓度以及人体呼吸信号提供了基础[8-9]，对提高CO2浓度检测的精度具有一定参考价值.

1 CO2吸收系数与温度的依赖关系

1.1 CO2吸收谱线理论分析

HITRAN数据库是由美国空军地球物理实验室于20世纪60年代研发，并不断更新的分子透射吸收数据库.其中包括了常见分子的吸收谱线位置、谱线强度、谱线加宽系数以及内部分割函数值等分子吸收光谱的参数.对于气体吸收谱线的研究大多基于该数据库[10-11]，本研究所有数据也均取自于该数据库.

根据HITRAN数据库中的CO2吸收谱数据，确定以1572.34 nm波长处的吸收谱线为研究对象，该吸收谱线位于光纤传输的低损耗窗口，并且其他常见气体在此波长范围内不存在吸收峰，对CO2吸收谱的影响极小.

图1为HITRAN数据库中，1572.34 nm波长处CO2吸收谱线强度在250～500 K温度范围内的分布情况.从图1中可以看出，CO2吸收谱线的谱线强度随着温度的升高而降低.

2 结 论

通过HITRAN数据库中CO2吸收谱线数据，对低温范围内CO2吸收谱线进行了研究.得到以下结论：

1） 1572.34 nm波长处可作为CO2质量分数检测的参考波长位置.

2） 得出了250～500 K范围内CO2吸收谱线的谱线强度与温度的拟合公式，该公式可以代替传统的较为复杂的计算公式.

3） 推导出了适用于200～500 K溫度范围内气体吸收系数与温度依赖关系的一般形式.

4） 将结论3中的公式进行了仿真拟合，并与文献中的实验数据进行了对比，得到了两者平均误差为3.305%的实验结果.

本研究结论可以提高基于比尔-朗伯吸收定律的CO2浓度传感器在温度变化较大条件下的测量准确率，同时对以CO2浓度传感器为基础的人体呼吸信号检测研究具有一定的参考意义.