大运动量后呼出气体主要成分检测系统的设计与研究

　　1　引言

　　近年来，随着国家体育事业的蓬勃发展，对运动员的身体状况，以及运动员在比赛各阶段中运动成绩和其即时体能的关系的研究越来越受到重视。现场中运动员呼出气体不同成分的浓度是重要的生理参数之一。传统的气体浓度测量方法多以电化学气相色谱法为主，这种方法不仅测量周期长，而且测量范围较小。Moor于1965年首先提出了激光吸收式浓度测量的概念^[1] 。随后，人们开始尝试用激光吸收法来测量呼出气体浓度，其中较为成熟的方法是以半导体激光器为光源做成探测系统，以光强的变化来表征气体浓度变化^[2] 。这种系统激光波长可以调制，结构紧凑，因而受到研究者和使用者的重视;但由于其成本非常昂贵、在线测量极为不便，影响了此项技术在呼出气体浓度测量中的应用及其技术发展。随着激光技术的发展，最新研究中发展出一种具有高性能的红外激光源，且具有高的灵敏度和奇异性，红外激光器光谱特别适合测量痕量级别的挥发性生物体，如欲研究的检测人类呼出的气体^[3] 。激光光谱痕量气体分析另一个重要特点是可以在线监测，可以进行连续气体的取样和分析，得出浓度分布曲线在时间和其它变量(如在呼吸测试中通气孔的流量)使其在无明显延迟的情况下显示出来，这种取样气体的实时检测让这一技术的推广显得较为容易。且其具有在对呼吸检测时，对呼出气体未达到所需要求时会立即识别、丢弃。本文介绍的利用超灵敏的痕量气体检测的方法可以对运动员比赛后气体呼出的气体实现即时高精度测量和分析，并且检测设备便携、操作简单^[4-6] 。

　　2　方案设计

　　本文提出了基于光腔循环衰荡法和自适应调节的多成分气体浓度测量的研究的方案。

　　2.1　系统框图

　　对应运动员呼出气体设计系统研究设计，考虑采用了对痕量气体分析特性进行考虑。整个检测装置依据光纤环路衰荡式气体浓度测量系统如图1所示。

　　其结构组成主要为可调谐激光脉冲发生器、增益可调掺铒光纤放大器、可调衰减器、微腔气室等部分。这一系统对于时间弛豫以及呼出气体中的成分分析都很有实际意义。

　　2.2　系统结构中主要器件分析

　　2.2.1　可调激光脉冲发生器

　　研究表明提高气体浓度测量的灵敏度，需要气体对某波长的光具有大的吸收系数。即可从增加气室的有效长度———增大光在气室中的光程;选择灵敏度高的光电探测器进行考虑。人呼出的气体主要成分是二氧化碳、氧气、氮气、水蒸气和稀有气体等气体，研究运动员大运动量后的情况，也是针对这些气体中的部分气体成分进行分析，这些气体吸收谱峰值波长都在近红外光的范围其吸收系数如表1所示。