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一文搞懂激光氣體分析技術(shù)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,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�?谥械募す� 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(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)是很 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(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 大優(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(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,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※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。 |