二极管激光分子吸收光谱技术在二氧化碳分析中的应用食品包装中气体浓度的研究外文翻译资料

 2022-04-12 20:39:03

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二极管激光分子吸收光谱技术在二氧化碳分析中的应用食品包装中气体浓度的研究

1介绍

原子物理部门的应用分子光谱学和遥感小组，隆德大学一直在研究基于散射技术的气体技术

介质吸收光谱学（GASMAS），在过去的十年。应用领域是其中包括检查食品包装中的气体浓度执行。特别是食品包装中存在改良的气氛，以延长货架生活和控制堕落，是一个有趣的研究领域。本论文介绍了可调谐二极管激光吸收光谱技术的一般应用（TDLAS），结合波长调制光谱学（WMS），以检查食品包装顶部空间中的二氧化碳（CO2）浓度。作为一个具体的例子老化牛奶的氧气（O2）和二氧化碳浓度随着时间的推移而被调查。执行的实验用于显示测量的功能和限制使用的技术。不仅使用的技术，而且执行的数据分析描述。简要概述了分子结构和光谱学，以及对其的描述下一节将介绍实验中最重要的组成部分。

2理论

2.1分子物理学

分子以能量E存在于量子态中。与原子物理学相比，分子不仅具有电子能态，而且具有能量Eel，而且具有振动态能源Evib。 和旋转状态与能量Erot。Born-Oppenheimer逼近允许每个能源状态分开处理。 因此，总能量E由下式给出

E = Eel. Evib. Erot. . (1)

振动和旋转状态的描述涉及新的量子数。 通过考虑选择规则，不同能级之间的转换Ei和Ej可以发生吸收或发射特定频率的光。 能量差Delta;E= Ei -Ej确定发射光或吸收光的频率nu;

|∆E| = h · nu; = h · c lambda; , (2)

2.2谱线展宽

实际上，在能级之间的转换中发射的光并不具有单一的特性频率。 它由一个窄频带组成。 这个能级的宽度被称为行宽。 单独讨论三种主要的加宽类型可以描述线轮廓在以下小节中。

2.2.1自然展宽

海森堡不确定性原理描述的时间与能量之间的关系具有影响线路的扩大。 具有寿命tau;的激发电子状态具有能量Delta;Easymp;h/（2pi;·tau;）的不确定性。 随着E = h·nu;，这给出了一个自然的线宽

. (3)

这种扩展引起洛伦兹线形状。 宽度的顺序是在760nm处几乎禁止跃迁，具有非常长的上态寿命为7.1秒。

2.2.2多普勒展宽

气体中的分子总是在移动。 用分子速度nu;表示吸收频率nu;A多普勒频移到

nu;A = nu;0 nu;macr; · k , (4)

其中，k是光的波矢，nu;0是静止分子的吸收频率。分子速度的统计分布通过Maxwell-Boltzmann分布描述。由分子运动引起的多普勒频移导致高斯线形状

(5)

与多普勒线宽度

(6)

其中T是温度，R是一般气体常数，M是分子量。 宽度约为0.5 GHz 。

2.2.3碰撞/压力扩大

气体中的分子间相互作用是改变和扩大能量水平的原因分子。 国家寿命的缩短出现并引起扩大。 相互作用发生当分子碰撞时。 因此，线宽随着密度和压力的增加而变大P.碰撞线宽度由下式给出

(7)

其中sigma;是碰撞截面。 就像自然扩大，碰撞扩大产生洛伦兹线形函数

. (8)

碰撞线宽度约为1.5 GHz。总结一下，人们可以在室内看到温度和气压，碰撞展宽对其影响最为显着线条形状。

在[2]中可以找到每种情况下线宽和线形的详细推导。

2.3可调谐二极管激光吸收光谱仪（TDLAS）

2.3.1二极管激光器和光电二极管

为了构建二极管激光器，将p型和n型掺杂材料组合在一起。所谓的洞来自n型掺杂材料p掺杂和自由电子重新结合直至其之间的平衡达到扩散电位和电位。一个没有空闲的耗尽区域。

电荷载体成立。通过施加正向电流，电子和空穴不断注入阻挡层。少数民族携带者相互重组，轻者可以从而被发射。

二极管周围的谐振器放大辐射并发射激光。半导体材料定义了二极管的带隙。早期经常使用的材料发展是砷化镓（GaAs）。大多数使用的材料都有直接的带隙，允许有效的转换。间隙的大小定义了发射的波长。改变了温度改变带隙和折射率。这里温度上升提供更长的波长。这种效果可以用于粗略的波长调谐，而罚款调整小范围可以通过增加电流来实现[7]。更高的电流创建一个较小的带隙导致较长的波长。光电二极管原则上以相同的方式构建。这里的区别在于传入光子破坏电子空穴对并产生电流并且可以被测量

2.3.2 TDLAS的原则

可调二极管激光吸收光谱使用二极管激光器选择性发光的事实波长。 TDLAS的主要思想是检查一个特征吸收线一个气体谱。为此，二极管激光器的温度被设定为恒定值在热电冷却器（TEC）的帮助下，导致大致需要的波长。TEC是一种基于半导体的元件，它利用了珀耳帖效应。所以呢激光器的温度可以通过电子控制。通过施加一个倾斜的电流给二极管激光器，发射光的波长随时间而变化。光线通过样品发出，透射光线通过合适的探测器记录下来。7

如果适当选择温度和斜坡电流，则可获得吸收曲线。如果找不到线路，则可以在二极管上以不同的温度重复该过程。一个典型的吸收曲线可以在图6a中看到。该技术在检查中有其优势混合物中的特定气体。特定的吸收线通常不受其他因素的影响气体。然而，由于有限的调谐，每个激光器通常只能检测一种特定的气体范围。

有时吸收信号非常小。如果是这样的话，可以用技术来改进信噪比（SNR）。一个例子是波长调制光谱学技术，在第二节2.5中描述。

2.4 Beer-Lambert定律

穿过的光线和吸收性介质的强度会降低。 指数衰减强度I0至I由Beer-Lambert定律给出

I = I0·e-A = I0·e-LCε（lambda;）， （9）

其中吸光度A = L·C·ε（lambda;）由路径长度L，浓度C和吸收截面ε（lambda;）。 吸收截面描述的强度在特定波长处的吸收lambda;，路径长度表示行进的距离由光线通过媒介。 使用已知气体浓度的气体池进行测量和路径长度（单元的长度）可以通过重新排列等式来提供吸收截面。9以下列方式：

(10)

图1：Beer-Lambert定律的可视化

2.5波长调制光谱学（WMS）

波长调制光谱学（WMS）用于检测低吸收信号。该检测低吸收信号的主要限制是信噪比。 闪烁噪音（或1 / f噪声）在低频处占优势，并且大约为1 / f，其中f是减小的信号的频率。 1 / f噪声起源于所使用设备的电子器件。因此，将测量值转换到更高的频率显然会提高SNR。

在WMS技术中，通过以正弦方式调制波长来完成移位在kHz范围内具有调制频率fm。 正如在第二节中提到的。 2.2.3，吸收线形状是光频率（或波长）的非线性函数。 由于非线性的线形和正弦调制，吸收信号将包含调制频率fm倍数的高次谐波。 这在图中说明图2。

图2：强度和波长及其频率分量之间的不同关系。这个数字受到[3]的启发。对于强度和波长之间的线性关系（图2a）只有调制频率fm会产生频谱。 相反，a的频谱强度和波长之间的非线性关系（图2b）包含fm的倍数。图2b中的非线性由第2节2.2.3提到的洛伦兹线形表示。

为了实现正弦调制，二极管激光器的注入电流是成比例的对频率的管理方式如下：nu;0称为中心频率，nu;A为调制幅度。解调的信号，这在原理上意味着滤除更高的谐波，可以用几种方法完成方法。

nu;(t) = nu;0 nu;A · cos(2pi;fmt), (11)

滤除高次谐波的早已确立的方法是使用锁定放大器。一个锁定放大器按以下方式提取高次谐波。一个正弦参考信号具有频率nfm和可调相位Phi;的Sref与检测信号Sdet相乘。然后通过低通滤波器。由此产生的Sdet。和SREF。仅针对匹配频率而不同于零。因此，在正确选择Phi;的情况下，n次谐波被滤除。另一种方法是通过使用软件获得谐波基于傅里叶分析。

可以看出，在小的调制幅度下，n次谐波正比于线形函数的第n个导数。此外，除了第一个，谐波与吸光度A [4]成正比，因此也与浓度C成正比一次谐波在吸收点处给出零点，因为线形函数具有一个那里有极值。再次，这只适用于小的vA，这意味着vA应该很大小于吸收曲线的半高全宽。只有更高的nu;A大约持有[6]。然而，获得更好的信噪比的可能性会激励使用大的调制幅度。

滤除二次谐波（2fm）具有宝贵的优势。一方面抵消将为零。这是成立的，因为吸收曲线外的强度是线性的电流（见例如图6a）。因此，二阶导数在线性区域消失。在另一方面可以方便地获得2fm的峰值。

3测量程序和实验设置

通过分析比尔朗伯定律可以看出，对于给定的吸收截面ε（lambda;）以及强度I和I0的测量值，还剩下两个独立变量;该路径长度L和浓度C.因此，浓度的分类总是涉及路径长度的测量。 测量路径长度可能会有问题在高度散射的媒体中。 在这种情况下，物体的厚度不等于距离

通过光线，并且获得真实光路长度成为问题。 在一个第一个实验（第3.2节）通过a的简单长度测量来估计路径长度包装很少散射。 在第二个实验（第3.3节）中进行浓度校准确定以不同方式完成，并在第二节中明确描述。3.3

3.1安装

图3说明了实验的示意设置。两种不同的单频根据实验情况，二极管激光器可以单独使用或同时使用。激光去检测二氧化碳可以在波长2052.5nm和2057.5nm之间调谐。该激光探测氧气发射约760nm。激光器的恒定温度由设定TEC。

数据采集​​（DAQ）卡将模拟信号转换为数字信号，另一种方式回合。一方面DAQ卡用于驱动激光驱动器。激光驱动器是提供斜坡电流以扫描相关区域上的波长。此外，调制在kHz区域的信号（二氧化碳为9.015千赫，氧气为10.295千赫）WMS信号由连接到DAQ卡的计算机处理。另一方面DAQ卡用于提供参考信号的锁定检测。 SREF。是通过使用创建的一个高通滤波器让锁定放大器只需要更高的频率（nfm）。在里面锁定放大器，Sref输入。和Sdet。并有一个输出。它还包括一个乘法器，一个用于Sref的移相器。和一个低通滤波器以及随后的整合来创建两个输入之间的互相关。

每束光由一个透镜准直。样品放在激光器和检测器之间。对于每个激光器都使用一个光电二极管来检测信号。这里，不同的调制频率用于探测这两种气体将允许使用单个探测器。但是，自从波长如此不同，单个检测器元件通常不能检测到两者的光激光高效。放大后，信号被发送到DAQ卡和锁定放大器用于实现WMS测量。 DAQ卡的输出和输入由LabVIEW程序。系统的成本取决于使用的激光器数量。一个激光系统的成本约为10,000欧元。

3.2面包卷的头部空间测量

第一个实验的目的是获得一包面包卷中的CO2浓度。因为吸收很强，所以在这个实验中不需要使用WMS技术。因此省略了kHz区域的调制。首先进行校准测量完成一个100％CO2的气体电池。吸收光谱由光电二极管记录。这使得能够计算吸收截面ε（lambda;CO2），等式10.测量随后是面包卷的顶部空间。包裹被挤压得到了大部分气体进入顶部空间。在这个实验中，假设几乎没有散布在包装的透明塑料中。因此，包装的直径，简单地用卡尺测量，用作路径长度。数据和分析是在第二部分中介绍。 4.1。在图4中展示了该设置的图片。在右侧可以看到二极管激光器。直接在它旁边有一个透镜来准直光束。在左侧，检测器设置在激光器和光电二极管之间的面包卷包被放置。

3.3牛奶中的腐烂过程

第二个实验的目的是对物体执行时间相关测量随着气体浓度的变化。选择的对象是含有老化牛奶的包装。这次WMS技术用于在低浓度下获得吸收信号。发出的光来自检测CO2和O2的激光以9015的调制频率fm进行调制Hz和10295Hz。

来自二氧化碳和氧气激光的辐射通过牛奶的顶部空间发送由塑料制成的包装。这次光束准直不是必需的，因为在任何情况下通过塑料时光线都会发散。起初，牛奶包装是12用纯二氧化碳冲洗，以获得100％二氧化碳的WMS印记的峰值。之后二氧化碳已被吸出，牛奶包装已被打开30分钟获得包装内的大气。这已经完成，以确保O2浓度实验开始时约为21％。测量过程在五次进行天。

21％浓度的氧气和100％浓度的二氧化碳的峰值用于校准轴。据此假定2fm WMS信号的峰值随浓度线性变化。

已经有用于检测氧吸收的二极管激光器的牛奶包装和纤维分别用手机振动器和小型电脑风扇振动。完成了以减少由封装或光纤中的光学干涉引起的光学条纹。

数据和分析的介绍可以在Sec。 4.2。在图5中的图片提供设置。它与图5相似。区别在于没有镜头用于准直光束，并且这次设置了第二个激光器和检测器（由红色夹子保持）。

另外，还可以在牛奶包装的支架上看到振动器。

4数据和分析

4.1面包卷顶空间测量的数据

图6显示了含有100％CO2的气体池的吸收光谱。 图表说明数据分析的过程。 图6a显示了对特定吸收的扫描线。 这是通过锯齿斜坡激光驱动器的电流完成的。 在...的阶段没有吸收，强度随着电流线性增加（就像拟合的直线一样）。 一个线性最小二乘拟合已被应用。 光谱被拟合线分开，倒置并对数。 如第2.2.3节所述，压力增宽效应最大线条形状。 因此，应用线形函数fp（等式8）的洛伦兹拟合。该结果如图6b所示。

图6b中的峰值对应于n I0 I .。十个测量值取平均值并给出LNI0一世？AV= 0.19

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