一文搞懂激光氣體分析技術

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。

圖 基于光譜吸收氣體分析技術的基本結構組成

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。

激光氣體分析技術氣室結構

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。

圖  遙測式結構

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。

單通道式是簡單的氣室結構，簡單穩定成本低是其優點。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。