一文搞懂激光 氣體分析技術(shù)

利用激光進(jìn)行 氣體 檢測分析有很多技術(shù)路線，主要包括直接吸收測量技術(shù)、波長調(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，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)，簡稱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，有的氣體吸收譜線多，有的氣體吸收強(qiáng)度大，而且吸收波長也不一樣。光譜法就成為一種廣 泛應(yīng)用的氣體 檢測方法。

TDLAS是利用光通過被測氣體（如圖所示），每種氣體對特定波長的光存在吸收作用，氣體濃度越大，吸收作用越強(qiáng)，通過測量被吸收后的光能進(jìn)行 氣體濃度的計算。

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 器、控制檢測電路等幾個部分。

（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)中波長是很 重 要的一個，波長決定了可以檢測什么氣體以及吸收強(qiáng)度有多大，同時波長也是激光器價格的決定因素。

相同波長的激光器，是否內(nèi)置TEC也存在較大的價格差異。內(nèi)置TEC和熱敏電阻的激光器易于控溫，設(shè)計較為簡便，溫度響應(yīng)也較快；沒有內(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)計影響因素很多，設(shè)計難度大。

（2）氣室

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

激光 氣體分析技術(shù)氣室結(jié)構(gòu)

放光路一般用于實現(xiàn)原位安裝式或者遙測式。

原位安裝式一般用于管道、煙道等工況的在線監(jiān)測，其優(yōu)勢就是系統(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、震動太強(qiáng)、管道細(xì)的場合就不適合原位安裝。

遙測式主要用于可燃?xì)庑孤�、大氣污染物監(jiān)測等方面。主要優(yōu)勢是移動式監(jiān)測；可對光通過空間內(nèi)的被測氣體進(jìn)行測量。對尋找可燃?xì)庑孤�點、高空大氣污染物等有優(yōu)勢。

圖  遙測式結(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)勢是可以在較小的體積內(nèi)實現(xiàn)很長的光程，如幾米至幾十至上百米。各 種諧振腔甚至能實現(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 單的氣室結(jié)構(gòu)，簡單穩(wěn)定成本低是其 大優(yōu)點。懷特池和赫里奧特都可以在較小的空間內(nèi)實現(xiàn)較長的光程，一般可以實現(xiàn)幾米到幾十米的光程，更長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，實現(xiàn)難度大。

（3）檢測器

檢測 器常見的主要有硅光電池、銦鎵※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※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 需調(diào)整，波長穩(wěn)定，功率輸出高；

探測器光學(xué)敏感區(qū)域（Ф500µm），高響應(yīng)度，正面發(fā)光，雙面焊盤，針對甲 烷 (CH4) 檢測（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，主要根據(jù)檢測量程、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※有害氣體 檢測；地下管廊、九小場所等商業(yè)領(lǐng)域的易燃易爆氣體檢測；以及家用甲 烷檢測等。