一文搞懂激光氣體分析技術(shù)

利用激光進(jìn)行氣體檢測(cè)分析有很多技術(shù)路線(xiàn)，主要包括直接吸收測(cè)量技術(shù)、波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)、腔衰蕩技術(shù)、激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)、激光拉曼光譜技術(shù)、激光光聲光譜技術(shù)等。這里主要討論其中的前兩項(xiàng)，這也是我們平常口中的激光氣體分析技術(shù)，也就是可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)TDLAS。

基本原理

絕大部分氣體都有光譜吸收，但由于氣體的分子結(jié)構(gòu)不同，有的氣體吸收譜線(xiàn)多，有的氣體吸收強(qiáng)度大，而且吸收波長(zhǎng)也不一樣。光譜法就成為一種廣泛應(yīng)用的氣體檢測(cè)方法。

TDLAS是利用光通過(guò)被測(cè)氣體（如圖所示），每種氣體對(duì)特定波長(zhǎng)的光存在吸收作用，氣體濃度越大，吸收作用越強(qiáng)，通過(guò)測(cè)量被吸收后的光能進(jìn)行氣體濃度的計(jì)算。

圖 基于光譜吸收氣體分析技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)組成

激光氣體分析核心部件

激光氣體分析主要部件也包括光源、氣室、檢測(cè)器、控制檢測(cè)電路等幾個(gè)部分。

（1）激光光源

激光光源根據(jù)原理分主要有DFB、VCSEL、FP等幾種；按照波長(zhǎng)分為近紅外和中遠(yuǎn)紅外激光器；按照是否內(nèi)置TEC分為內(nèi)置TEC和無(wú)內(nèi)置TEC兩種；按照封裝可分為TO封裝和蝶形封裝等。一般蝶形封裝都內(nèi)置了TEC和熱敏電阻。

激光器的所有參數(shù)中波長(zhǎng)是重要的一個(gè)，波長(zhǎng)決定了可以檢測(cè)什么氣體以及吸收強(qiáng)度有多大，同時(shí)波長(zhǎng)也是激光器價(jià)格的決定因素。

相同波長(zhǎng)的激光器，是否內(nèi)置TEC也存在較大的價(jià)格差異。內(nèi)置TEC和熱敏電阻的激光器易于控溫，設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)便，溫度響應(yīng)也較快；沒(méi)有內(nèi)置TEC的激光器需要外置TEC和熱敏電阻，溫控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響因素很多，設(shè)計(jì)難度大。

（2）氣室

由于激光擁有很高的調(diào)制頻率，同時(shí)激光芯片作為近似的點(diǎn)光源，可以實(shí)現(xiàn)高度平行的平行光束，因此激光氣體分析可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)放光路和氣體流通池兩種方式，具體分類(lèi)如圖所示。

激光氣體分析技術(shù)氣室結(jié)構(gòu)

放光路一般用于實(shí)現(xiàn)原位安裝式或者遙測(cè)式。

原位安裝式一般用于管道、煙道等工況的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，其優(yōu)勢(shì)就是系統(tǒng)不用預(yù)處理，響應(yīng)速度快，但也取決于工況，并不是所有復(fù)雜工況都適用于原位安裝。比如粉塵大、震動(dòng)太強(qiáng)、管道細(xì)的場(chǎng)合就不適合原位安裝。

遙測(cè)式主要用于可燃?xì)庑孤?、大氣污染物監(jiān)測(cè)等方面。主要優(yōu)勢(shì)是移動(dòng)式監(jiān)測(cè)；可對(duì)光通過(guò)空間內(nèi)的被測(cè)氣體進(jìn)行測(cè)量。對(duì)尋找可燃?xì)庑孤c(diǎn)、高空大氣污染物等有一定優(yōu)勢(shì)。

                                           圖  遙測(cè)式結(jié)構(gòu)

流通池主要分為單管式、懷特池、赫里奧特池等常見(jiàn)結(jié)構(gòu)，也有其他形式的各種諧振腔。流通池的主要優(yōu)勢(shì)是可以在較小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)很長(zhǎng)的光程，如幾米至幾十至上百米。各種諧振腔甚至能實(shí)現(xiàn)數(shù)千米的光程，由于諧振腔的使用較為復(fù)雜，限制也較多，這里不做詳細(xì)介紹。

單通道式是簡(jiǎn)單的氣室結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單穩(wěn)定成本低是其優(yōu)點(diǎn)。懷特池和赫里奧特都可以在較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的光程，一般可以實(shí)現(xiàn)幾米到幾十米的光程，更長(zhǎng)的光程受反射鏡反射效率、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、條紋干涉等影響，實(shí)現(xiàn)難度大。

（3）檢測(cè)器

檢測(cè)器最常見(jiàn)的主要有硅光電池、銦鎵砷光電二極管、鍺光電二極管等，硅光電池主要在近紅外區(qū)有較強(qiáng)響應(yīng)，銦鎵砷和光電二極管可在中紅外有較強(qiáng)的響應(yīng)。

激光器自帶TEC和NTC，帶準(zhǔn)直鏡，光路無(wú)需調(diào)整，波長(zhǎng)穩(wěn)定，功率輸出高；

探測(cè)器光學(xué)敏感區(qū)域（Ф500µm），高響應(yīng)度，正面發(fā)光，雙面焊盤(pán)，針對(duì)甲烷 (CH4) 檢測(cè)（1653nm）進(jìn)行了優(yōu)化，提高了在低溫環(huán)境中的響應(yīng)度。

激光氣體分析技術(shù)的應(yīng)用

激光氣體分析產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案有很多種，需要根據(jù)具體目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要根據(jù)檢測(cè)量程、背景氣體、使用工況、成本等因素綜合考慮。

目前，基于TDLAS技術(shù)的傳感器可以用于測(cè)量甲烷、氨氣、一氧化碳、一氧化氮、硫化氫、氧氣等多種氣體，可廣泛用于石油、化工、冶金、電力、煤礦、礦山等工業(yè)領(lǐng)域的微量有毒有害氣體檢測(cè)；地下管廊、九小場(chǎng)所等商業(yè)領(lǐng)域的易燃易爆氣體檢測(cè)；以及家用甲烷檢測(cè)等。