本文基于可调谐激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)，对乙醇分子在近红外波段的特征吸收谱进行分析。图1是检测乙醇蒸气的实验装置原理图。可调谐半导体激光器的出射激光经1:1光纤分束器分成两路，分别进入参考通道和分析通道。参考通道包含准直器、0.25ｍ气体吸收池和探测器PD2。分析通道是开放光路的光学系统，由准直 器、角反射镜、菲涅耳透镜和探测器PD1组成；准直器和菲涅耳透镜同光轴结构；激光由光纤耦合的准直器发射，并被相距2.5m的角反射镜返回，再由菲涅耳透镜会聚到探测器PD1上。激光器控制和数据采集由电子学控制器完 成，它由激光器控制器、前置放大器和单片机（MCU）等组成。激光器控制器控制激光器工作温度和电流，激光器的输出波长被控制在7177~7184cm^-1范围；两路探测器信号经过放大后送入MCU片上模数转换器（ADC）（1MHz采样 率，12bit精度）进行采集；同时MCU片上数模转换器（DAC）用于产生激光器电流调制波形，调制频率1kHz；为了降低噪声，提高信噪比，MCU采集的探测信号累计平均128次，再经串口通信送入工控机，基于LabVIEW8.6编写的系统软件可以进行实时浓度反演和光谱显示。

图 1实验装置原理图

应用多元线性回归算法的数据处理包含以下几个步骤：1）获取乙醇蒸气的参考谱α_{e_ref(ν)}；2）获取水气的参考谱α _{w_ref(ν)}；3）依据采集的实测吸收信号计算其对应的吸收光谱α_test(ν)；4）根据参考谱浓度计算乙醇和水气的相对浓度。以上数据处理的流程如图2所示。

通过测量空气中水气很容易获得水气参考谱 α _{w_ref(ν)}，但乙醇蒸气的参考吸收谱的获取则相对复杂。为增强乙醇吸收，在吸收池中充入了乙醇的饱和蒸气，以获得乙醇蒸气的吸收谱。采用的乙醇蒸气源是体积分数为99.7%的乙醇，可以看到测量到的光谱中含有少量的水气吸收。按照乙醇蒸气光谱的获取方法得到如图3所示的乙醇参考谱。图3中曲线1为实验记录的含有少量水气的乙醇吸收谱，曲线2为用吸收池记录的纯水气的吸收谱，曲线3为获取的乙醇蒸气吸收谱。获取的曲线3可作为乙醇的参考吸收谱用于乙醇浓度反演。

图 2数据处理的流程图

图 3乙醇参考吸收谱的获取

由于水气吸收较强，当测量距离增加后，部分水气吸收线会因采样精度限制而达到饱和，这在空气湿度较大时会更加明显。图4是实验采用的水气吸收参考光谱和乙醇吸收参考光谱，测量的实验条件为1.013×105Pa，22℃，室内湿度45%。可以看到水气吸收的量级比乙醇吸收大得多，为了避免饱和吸收对浓度反演造成影响，选用了如图4所示的三个区域R1、R2和R3进行浓度反演。

图 4实验测量采用的水气吸收参考光谱（点划线）和 乙醇蒸气参考光谱（实线）

实验开始时，吸收池中为空气，测量结果接近于零，如图5所示。之后多 次向吸收池中滴入少量液体乙醇，由于吸收池的体积较大，乙醇的挥发需要一定的时间。其中阶段1、3、5为乙醇在吸收池中连续挥发的过程，可以看到乙醇浓度的快速上升。阶段6是阶段5的延续，由于阶段5的乙醇有少量渗入吸收池缝隙中，导致该阶段乙醇挥发速度下降。阶段2、4、7为乙醇在吸收池中达到相对平稳后的连续测量结果，图5中也同时给出了水气在这些阶段的浓度 变化（红色曲线）。

图 5乙醇和水气含量的连续测量结果

来自《可调谐半导体激光吸收光谱法测量空气中乙醇蒸气》