基于LabView的气体吸收光谱仿真实验教学设计

许林广,孙明国,张 刚,葛 强

(安徽工程大学 数理与金融学院,安徽 芜湖 241000)

大学物理是理工科专业的基础课程,开展物理实验课程是培养学生实验技能,科研方法的重要途径。传统大学物理实验往往以老师演示、学生模仿实验为主,无法满足现代社会工作岗位对创新型人才的培养需求[1-2]。开展新型专业实验引导学生针对特定科学问题开展自主探究和实验验证,对培养学生独立发现和解决科学问题,强化逻辑思维和专业素养具有重要意义。传统大学物理实验往往依赖体积庞大、价格昂贵的实验仪器和设备,面对当前社会科技发展的日益进步,相关实验设备更新换代的频率不断加快,物理实验创新发展受到一定限制。并且传统实验教学手段无法满足当今社会线上同步实验教学的新要求,因此,迫切需要开展新型大学物理实验教学方法研究[3-4]。虚拟仪器开发软件LabVIEW是一种在图形化编程环境下,工程师可使用该环境来开发自动化研究、验证和生产测试系统。相比于系统复杂和价格昂贵的硬件实验系统,LabVIEW仿真实验系统具有操作简单、易于学习和便于自主开发等特点,为新型大学物理专业实验提供另一种思路[5-6]。

随着社会工业化进程的不断加快,各种有毒、有害的污染性气体排放导致温室效应、酸雨、雾霾等自然灾害现象层出不穷。对大气中的痕量气体、工业排放的各种污染性气体等进行精准有效监测,是指导绿色可持续发展的重要举措[7]。目前,气体检测技术分为2种,一种是传统的化学分析法、气相色谱法、色谱-质谱连用法等[8-9],其中化学分析法快速有效,操作简单但不能进行实时连续在线监测,气相色谱和色谱质谱法具有较高的可靠性,但是采样过程繁琐。相比于传统的化学检测技术,另一种现代气体检测技术是激光吸收光谱法,吸收光谱技术是一种基于光与物质相互作用过程中所呈现的吸收效应来反演气体浓度信息的方法[10]。随着半导体激光技术的发展,可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)因具有现场原位测量、无须采样和预处理系统、测量准确、响应迅速、维护工作量小等显著优势,在大气研究、环境监测、工业过程分析和污染源监测领域发挥着越来越重要的作用[11]。

利用LabVIEW软件结合TDLAS技术建立了一套仿真实验系统,通过对大学物理教学中的吸收光谱理论进行图形化模拟,强化对理论知识的理解。通过仿真实验现象,探究实验中的各种参数对吸收谱线的影响,引导学生对物理定律进一步思考和研究。

1 实验原理

甲烷(CH4)是一种常见的温室气体,其含量虽然不及大气中的二氧化碳,但它的增温潜势是二氧化碳的几十倍,在气候变化和全球变暖中起着重要作用[12-13]。CH4的排放源主要分为人为源和自然源,其中人为源主要包括煤炭和油气开采、农业生产以及垃圾填埋等;自然源包括湿地、内陆淡水、生物质燃烧、地质渗漏和冻土等。由此可以看出大气中的CH4气体浓度实时监测对环境治理有重大作用。

激光吸收光谱技术的基本原理是基于朗伯-比尔定律(Lambert-Beer law),当一束激光穿过待测气体分子之后,其出射光部分光强会被气体分子所吸收而产生衰减。出射光强为

I(λ)=I0(λ)exp(-α(λ)CL) ,

(1)

式中α(λ)为特定波长处包含目标气体的温度和压力等参数的吸收系数;L为气体吸收路径长度;C为气体分子浓度。单一跃迁谱线的吸收系数可表示为

(2)

(3)

其中,

(4)

(5)

式中:S为谱线线强;γV为伏克特线性的半高半宽;γL,γD为洛伦兹半高半宽以及高斯半高半宽。用以下表达式来表示:

(6)

其中νSelf,νAir分别为气体分子的自加宽和空气加宽,可以从红外光谱数据库中获取。单个分子积分吸收面积A可以通过以下公式来进行计算:

(7)

因此,由公式(7)可知谱线积分面积或吸光度幅值与气体浓度成正比,在温度、压力和光程已知的情况下,可通过测量谱线吸收系数反演气体浓度信息。

基于朗伯-比尔定律的TDLAS技术原理图如图1所示,通过调谐光源的工作温度和电流来控制激光输出特性,出射光I0(λ)经过气体池后衰减成I(λ),由探测器进行光电转化并进行后续处理,当激光注入电流幅值沿三角波变化,在经过待测分子吸收后,探测器测得光强信号会在特定波段形成吸收轮廓。在得到气体的吸收信号后,根据公式(2)可将其转化为吸收系数谱线。

图1 激光吸收光谱气体检测技术原理图

2 仿真实验设计

2.1 实验系统

针对CH4气体分子建立的仿真实验系统程序如图2所示,程序结构主要包括四个模块,分别为洛伦兹以及高斯半高半宽的计算、怀特明近似函数的模拟、三角波信号以及透射谱和吸光度的仿真。其中,在LabVIEW中调用建立的“子VI”对谱线展宽和线性函数进行计算模拟可以大大简化程序结构使逻辑更加清晰,用来模拟激光器光强背景的三角波信号利用LabVIEW中“仿真信号”控件生成,然后叠加线性函数就可以得到模拟的吸收信号。结合朗伯-比尔定律公式,对吸收信号进一步处理,通过吸收信号除以三角波背景,得到归一化的透射光谱。最后通过公式(2)计算吸收系数,结合光程和浓度就能得出气体分子吸光度。利用模块划分便于学生掌握具体仿真过程,进一步理解吸收光谱原理和熟悉理论公式,并培养学生利用LabVIEW进行自主开发和设计的创新思维。

图2 气体吸收光谱仿真实验系统程序

甲烷气体吸收光谱虚拟仿真实验系统前面板显示如图3所示,主要包括四个图形控件用来分别显示三角波、吸收信号、透射谱以及吸光度。

图3 甲烷气体吸收光谱虚拟仿真实验系统

甲烷吸收线强度、气体浓度、压力、温度、吸收路径长度等参数设置通过输入控件进行调整。选取中心波数在6 046.96 cm-1处的甲烷吸收线,谱线强度为1.455×10-21cm/mol。实验中,当设置气体压力为一个大气压(1 013 mbar),温度为296 K,气体浓度为8%,吸收路径长度为30 cm时,经过气体吸收后的模拟吸收光谱如图3所示。

2.2 实验结果

通过学生自主调节设置的相关实验参数,观察和探究吸收谱线的变化情况。例如为了研究气体浓度对吸收谱线的影响,实验记录不同浓度(0.1%～0.5%)的CH4吸收谱线,如图4所示,结果显示随着CH4浓度的增大,谱线的高度和展宽增加。对数据进一步处理,可以得到吸收光谱信号幅值与气体浓度之间的关系,如图5所示,通过拟合发现,CH4浓度与信号幅值之间呈现良好的线性关系。实验现象验证了朗伯-比尔定律原理公式中吸光度与浓度成正比的基础理论。

Wavenumber/cm-1

Concentration/%

2.3 拓展研究

选做拓展实验可以引导学生自行选取研究其他参数对象,利用仿真试验系统进行探究。例如,根据朗伯-比尔定律对原始吸收信号进行归一化处理之后可以得到气体透射谱,实验记录模拟的不同气体总压力下的透射谱线如图6所示。

Pressure/mbar

在一个大气压范围内,谱线展宽随着压力增大而增大,对透射谱的吸收深度进行分析可知,随着压力增大,谱线吸收深度也随之增加并趋于稳定。学生也可以自行选取其他相关参数对吸收光谱原理公式和谱线模型进一步探究,鼓励学生对实验过程中遇到的问题进行思考和总结。同时,有余力的学生可以进一步优化LabVIEW仿真程序,提高其软件使用能力以及创新意识和分析解决问题的能力。

3 结 论

文章探讨了将基于朗伯-比尔定律的激光吸收光谱技术引入到大学物理实验教学当中,通过建立LabVIEW虚拟仿真实验系统对物理定律和理论公式进行详细展示。实验探究了CH4吸收谱线信号幅值与浓度的关系,并引导学生探究不同实验参数下气体吸收谱线的变化情况。本实验将复杂的理论公式和实验系统变得形象和简单,将科研中的逻辑思维和探究方法引入大学物理实验。培养了学生的创新思维,提升学生发现问题和解决问题的能力。