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利用激光進行氣體檢測分析有很多技術路線,主要包括直接吸收測量技術、波長調制技術、腔衰蕩技術、激光誘導熒光技術、激光拉曼光譜技術、激光光聲光譜技術等。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,也就是可調諧激光吸收光譜技術,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構不同,有的氣體吸收譜線多,有的氣體吸收強度大,而且吸收波長也不一樣。光譜法就成為一種廣泛應用的氣體檢測方法。
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,通過測量被吸收后的光能進行氣體濃度的計算。
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
激光光源根據原理分主要有DFB、VCSEL、FP等幾種;按照波長分為近紅外和中遠紅外激光器;按照是否內置TEC分為內置TEC和無內置TEC兩種;按照封裝可分為TO封裝和蝶形封裝等。一般蝶形封裝都內置了TEC和熱敏電阻。
激光器的所有參數中波長是最重要的一個,波長決定了可以檢測什么氣體以及吸收強度有多大,同時波長也是激光器價格的決定因素。
相同波長的激光器,是否內置TEC也存在較大的價格差異。內置TEC和熱敏電阻的激光器易于控溫,設計較為簡便,溫度響應也較快;沒有內置TEC的激光器需要外置TEC和熱敏電阻,溫控結構設計影響因素很多,設計難度大。
(2)氣室 由于激光擁有很高的調制頻率,同時激光芯片作為近似的點光源,可以實現高度平行的平行光束,因此激光氣體分析可以實現開放光路和氣體流通池兩種方式,具體分類如圖所示。
放光路一般用于實現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測,其最大優勢就是系統不用預處理,響應速度快,但也取決于工況,并不是所有復雜工況都適用于原位安裝。比如粉塵大、震動太強、管道細的場合就不適合原位安裝。
遙測式主要用于可燃氣泄漏、大氣污染物監測等方面。主要優勢是移動式監測;可對光通過空間內的被測氣體進行測量。對尋找可燃氣泄漏點、高空大氣污染物等有一定優勢。
流通池主要分為單管式、懷特池、赫里奧特池等常見結構,也有其他形式的各種諧振腔。流通池的主要優勢是可以在較小的體積內實現很長的光程,如幾米至幾十至上百米。各種諧振腔甚至能實現數千米的光程,由于諧振腔的使用較為復雜,限制也較多,這里不做詳細介紹。
單通道式是最簡單的氣室結構,簡單穩定成本低是其最大優點。懷特池和赫里奧特都可以在較小的空間內實現較長的光程,一般可以實現幾米到幾十米的光程,更長的光程受反射鏡反射效率、結構穩定性、條紋干涉等影響,實現難度大。
(3)檢測器
檢測器最常見的主要有硅光電池、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有較強響應,銦鎵砷和光電二極管可在中紅外有較強的響應。
激光器自帶TEC和NTC,帶準直鏡,光路無需調整,波長穩定,功率輸出高;
探測器光學敏感區域(Ф500μm),高響應度,正面發光,雙面焊盤,針對甲烷 (CH4) 檢測(1653nm)進行了優化,提高了在低溫環境中的響應度。
激光氣體分析技術的應用
激光氣體分析產品實現的技術方案有很多種,需要根據具體目標進行設計,主要根據檢測量程、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、礦山等工業領域的微量有毒有害氣體檢測;地下管廊、九小場所等商業領域的易燃易爆氣體檢測;以及家用甲烷檢測等。
激光吸收光譜技術發展方興未艾,隨著光電子器件的發展以及應用領域的拓展,這一技術將向中遠紅外、低成本、集成化的方向發展,也將有更廣闊的應用!