光學(xué)氣體探測分析技術(shù)路線匯總及選型介紹

氣體分析已應(yīng)用于各種場所和用途，例如測量汽車排放和監(jiān)控?zé)煔馀欧拧＝陙恚瑲怏w分析的用途進(jìn)一步擴(kuò)大，已經(jīng)開始研究通過呼吸分析實現(xiàn)疾病的早期檢測和診斷。濱松為光學(xué)氣體測量提供廣泛的光源和探測器。

一，光學(xué)氣體探測分析的特點

由于每個氣體分子都有自己的吸收波長，因此可以通過測量該波長處的吸光度來測量氣體的濃度。特別是在紅外區(qū)，由于氣體分子的振動，氣體特有的吸收波長較多，因此紅外區(qū)被用于測量各種氣體。如下圖：

例如下圖中所示，光照射到氣體，然后通過檢測透射或反射的光來監(jiān)控吸光度。通過在考慮目標(biāo)氣體及其周圍環(huán)境的光吸收特性的情況下選擇最佳裝置，光學(xué)方法可以實現(xiàn)比其他氣體測量方法更快的響應(yīng)、更高的精度和更長的壽命。

二，為什么光學(xué)氣體探測分析更有優(yōu)勢

1.高精度

光學(xué)氣體檢測受共存氣體和水蒸氣的影響較小，因為它檢測每種氣體的特定吸收波長。光學(xué)氣體探測還可以對多個探測目標(biāo)進(jìn)行同時探測，效率高。

2.快速響應(yīng)

光傳感器本身具有更快的響應(yīng)速度，使其適用于實時氣體監(jiān)控。即使在較短的測量時間內(nèi)，它也能對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行積分和平均，從而實現(xiàn)更高精度的測量。

3.更長使用壽命

光學(xué)氣體探測采用的是非接觸式檢測，有助于保持系統(tǒng)穩(wěn)定，并減少傳感器本身的劣化。此外，可以減少維護(hù)頻率。因而具有更長的使用壽命。

三，光學(xué)氣體探測分析的技術(shù)路線

1.NDIR

NDIR，Non-Dispersive InfraRed，非分散紅外技術(shù)的簡稱。它利用氣體分子對特定波長紅外輻射的吸收特性來測定氣體的濃度。當(dāng)紅外光源發(fā)出的紅外輻射經(jīng)過一定濃度待測的氣體時，氣體分子會吸收特定波長的光，與氣體濃度成正比的光譜強度會發(fā)生變化，導(dǎo)致通過氣體的光譜強度發(fā)生變化。因此，通過測量這種變化，求出光譜光強的變化量就可以反演出待測氣體的濃度。

NDIR傳感器通常包括一個紅外LED光源、一個或多個光電二極管（PD）和一個氣室。紅外光源發(fā)出的光穿過氣室并被光電二極管檢測。光電二極管能夠轉(zhuǎn)換光信號為電信號，通過分析這些信號的衰減，可以計算出氣體的濃度。NDIR技術(shù)可以采用單通道或雙通道測量方案，其中雙通道方案提供了更好的測量結(jié)果和穩(wěn)定性，因為它使用參考通道來補償與分析無關(guān)的信號影響。

單通道測量方案，即包含一個LED光源和一個光電二極管。該技術(shù)在大多數(shù)評價系統(tǒng)和傳感器模塊中都有應(yīng)用，但是這種方法容易受到溫度變化的影響，可能會造成一定的測量誤差。

雙通道測量方案又可以分成三種，一種是1個 LED搭配2個PD的，一種是2個LED搭配1個PD的，還有一種2個LED搭配2個PD的。

1）1個 LED搭配2個PD：這個方案將包括一個額外的PD，除了單通道測量的LED和PD外，還有個額外的光電二極管檢測參考光路的信號，是為了做與分析無關(guān)的影響的信號的補償。測量PD提供了測量信號，對分析物質(zhì)的存在和濃度非常敏感，而參考PD的信號幾乎不受影響。測量和參考信號的處理，即使在惡劣的溫度和環(huán)境條件下，也能獲得穩(wěn)定可靠的測量結(jié)果，因為光電二極管對外界環(huán)境的反應(yīng)是相同的。

該方案可采用兩種方法實現(xiàn)：a . 參考PD與測量PD擁有相同的靈敏度，并緊靠著LED發(fā)光口處，從而保證了在短光程時的信號衰減最?。籦. 參考PD的敏感頻譜避開被測分析氣體的吸收頻譜頻譜，但可以對LED光譜有響應(yīng)，因此該方案需要一個光譜范圍足夠?qū)挼腖ED，使兩個不同光譜響應(yīng)范圍的PD都能響應(yīng)，這種方式需要讓參考PD緊靠測量PD。

2）2個LED搭配1個PD：這個方案將包括一個額外的LED，除了單通道測量的LED和PD外，還有個額外的LED發(fā)射參考光信號，測量LED所發(fā)出的輻射波長與分析氣體的吸收光譜相對應(yīng)，而參考LED發(fā)射不被被測氣體吸收的波長的光，從而根據(jù)PD所檢測到的測量LED和參考LED之間的信號差來分析被測氣體的濃度。

3）2個LED搭配2個PD：這種方法與前一種方法類似，唯一不同的是引入了額外的光電二極管用于參考信號檢測，整個方案將包括2個獨立的通道，測量通道的光譜可被被測氣體吸收，參考通道的光譜不可被被測氣體吸收，通過雙通道檢測到的信號差別來分析被測氣體的濃度。

NDIR路線的優(yōu)點包括允許設(shè)計低成本的解決方案，簡單和緊湊的傳感器設(shè)計以及提供可接受的結(jié)果。此外，NDIR路線不需要頻繁校準(zhǔn)，這降低了維護(hù)成本和復(fù)雜性。

NDIR技術(shù)路線的產(chǎn)品推薦：

①脈沖氙燈模塊L13651 系列及其他

②中紅外 LED L1589X 系列

③InAsSb 光伏元件 P16112 系列及其他（配備帶通濾波器）

2.FTIR

傅里葉變換紅外光譜儀(Fourier Transform Infrared Spectrometer，簡寫為FTIR)，不同于色散型紅外分光的原理，是基于對干涉后的紅外光進(jìn)行傅里葉變換的原理而開發(fā)的紅外光譜儀，主要由紅外光源、光闌、干涉儀(分束器、動鏡、定鏡)、樣品室、檢測器以及各種紅外反射鏡、激光器、控制電路板和電源組成。可以對樣品進(jìn)行定性和定量分析，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥化工、地礦、石油、煤炭、環(huán)保、海關(guān)、寶石鑒定、刑偵鑒定等領(lǐng)域。

1）FTIR原理

待測樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射，分子基團(tuán)吸收特征頻率的輻射，其振動或轉(zhuǎn)動運動引起偶極矩變化，產(chǎn)生分子的振動能級和轉(zhuǎn)動能級從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，形成的分子吸收光譜。

紅外吸收光譜主要用于材料的基團(tuán)結(jié)構(gòu)分析、材料的定性及定量分析：

①特征吸收頻率------基團(tuán)（定性分析）

②特征峰的強度------定量分析

2）FTIR特點

①掃描速度快：傅里葉變換紅外光譜儀是按照全波段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的，得到的光譜是對多次數(shù)據(jù)采集求平均后的結(jié)果，而且完成一次完整的數(shù)據(jù)采集只需要一至數(shù)秒，而色散型儀器則需要在任一瞬間只測試很窄的頻率范圍，一次完整的數(shù)據(jù)采集需要十分鐘至二十分鐘。

②信噪比高：傅里葉變換紅外光譜儀所用的光學(xué)元件少，沒有光柵或棱鏡分光器，降低了光的損耗，而且通過干涉進(jìn)一步增加了光的信號，因此到達(dá)檢測器的輻射強度大，信噪比高。

③重現(xiàn)性好：傅里葉變換紅外光譜儀采用的傅里葉變換對光的信號進(jìn)行處理，避免了電機(jī)驅(qū)動光柵分光時帶來的誤差，所以重現(xiàn)性比較好。

3）應(yīng)用領(lǐng)域

① 已知物的鑒定

② 未知物的結(jié)構(gòu)鑒定

③ 特殊材料的定量分析

FTIR技術(shù)路線的產(chǎn)品推薦：

①InAsSb 光伏元件P16112 系列及其他

②InAsSb 光伏元件P16113 系列及其他

③II 類超晶格紅外探測器P15409-901

3.TDLAS

TDLAS是Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy的簡稱，該技術(shù)主要是利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的窄線寬和波長隨注入電流改變的特性，通過調(diào)制激光器的波長，使激光器的波長掃描過被測氣體分子的吸收峰，從而基于比爾朗伯定律，使氣體分子對被調(diào)制的激光進(jìn)行吸收，從而根據(jù)吸收量實現(xiàn)對氣體分子濃度的測量。

調(diào)諧半導(dǎo)體吸收光譜(TDLAS)技術(shù)系統(tǒng)組建示意圖

調(diào)諧半導(dǎo)體吸收光譜(TDLAS)技術(shù)驅(qū)動需要使用鋸齒電流掃描信號給到激光器，從而使激光器發(fā)出的激光的波長是調(diào)諧掃描的。驅(qū)動波形采用的是低頻鋸齒波疊加高頻正弦波的方式，三角波為掃描作用決定輸出強度，正弦波為調(diào)制作用。如下波形圖：

TDLAS驅(qū)動信號疊加理論圖和實測圖

經(jīng)過氣體吸收之后，需要通過TDLAS信號解調(diào)板對光電二極管得到的光電信號進(jìn)行解調(diào)，從而得到隨濃度變化的2f諧波信號。如下圖：

TDLAS解調(diào)信號理論圖

TDLAS解調(diào)信號實測圖

TDLAS解調(diào)信號實測圖

調(diào)諧半導(dǎo)體吸收光譜(TDLAS)技術(shù)主要應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)過程控制、安防火災(zāi)、汽車尾氣監(jiān)測、生物和醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域光譜檢測。

TDLAS技術(shù)路線的產(chǎn)品推薦：

①CW 量子級聯(lián)激光器L1200X 系列

②InAsSb 光伏元件P16113 系列及其他

③帶前置放大器的 InAsSb 光伏元件 P16702-011MN

④帶前置放大器的紅外檢測模塊 C1721X 系列

4.DOAS

DOAS（Differential Optical Absorption Spectroscopy）差分吸收光譜技術(shù)是一種通過測量微量氣體在紫外和可見光譜區(qū)域內(nèi)對特定波段的吸收強度來演算得到微量氣體濃度的方法。

DOAS為一種被廣泛使用的確定大氣氣體濃度的方法。大氣中不同的氣體在光譜中留下它們各自特殊且特定的吸收痕跡，從中便可以檢索到這些氣體的濃度。而差分吸收光譜技術(shù)的本質(zhì)就是氣體分子對光輻射的吸收。

1）DOAS的組成結(jié)構(gòu)

DOAS 技術(shù)的氣體檢測可根據(jù)光源的不同分為被動式和主動式。 被動式的DOAS系統(tǒng)主要以來自太陽，月亮等星體的光為光源，而目前多數(shù)主動式的DOAS系統(tǒng)，以氘燈或氙燈作為光源。

我們主要討論主動式的DOAS儀器設(shè)備。DOAS系統(tǒng)主要包括：光源發(fā)射端、接收端、紫外氣體吸收池、光纜、單色儀、光譜儀、計算機(jī)等。

2）技術(shù)特點

DOAS技術(shù)與傳統(tǒng)的大氣測量技術(shù)相比，有著顯著的優(yōu)勢和特點：

①DOAS技術(shù)的測量范圍長，可以檢測到幾百米甚至千米范圍內(nèi)的氣體吸收，與點測試方法相比，小區(qū)域范圍內(nèi)的干擾對目標(biāo)氣體結(jié)果的準(zhǔn)確性影響不大。并且其測量范圍廣，在揭示空氣尚未發(fā)現(xiàn)的成分方面有很大潛力。

②DOAS技術(shù)測量的是連續(xù)波段的光譜，在這段光譜范圍內(nèi)，會存在不同氣體的特征吸收，實現(xiàn)同時監(jiān)測多種氣體濃度。對于一些濃度極低的痕量氣體，如甲苯，單環(huán)等。

③DOAS技術(shù)是非接觸性測量方法，不破壞痕量氣體特征，不受水汽干擾，可避免檢測對象等誤差源的影響。

④DOAS 技術(shù)具有高靈敏度、高時間分辨率、且響應(yīng)速度快，可實現(xiàn)在線實時監(jiān)測。

3）測量原理與算法

DOAS技術(shù)廣泛應(yīng)用于紫外和可見光區(qū)域范圍。一些氣體分子在紫外-可見波段內(nèi)的吸收特性屬于頻率較高的吸收，俗稱窄帶吸收，而大氣或煙氣中的顆粒物引起的瑞利散射和米氏散射為寬帶吸收。DOAS技術(shù)正是將吸收光譜中窄帶部分和寬帶部分分離，以消除大氣分子散射的影響。

紫外-可見波段部分氣體吸收光譜

DOAS技術(shù)可以檢測到NO、NH3、O3、SO2、H2S、CIO2、NO2、C6H6等具有窄帶特征吸收的氣體分子。

在氣體環(huán)境中，瑞利散射和米氏散射也會導(dǎo)致消光散射。這兩種散射是大氣中主要的散射因素，因而造成光散射偏離。散射光不能被探測器接收到，但是這種沒有被探測器接收到的光，在DOAS技術(shù)處理過程中，可能被視為分子的“過程”。

氣體通道中的各種消光效應(yīng)

因此，在DOAS的算法過程中，這兩種散射所造成的消光會被加入到比爾朗伯定律的等式中, 從而得到以下等式：

其中τ被定義為光學(xué)厚度，即光程、氣體吸收截面和氣體濃度這三者的乘積。而 εR (λ)和 εM (λ) 則分別為瑞利散射和米氏散射的效果系數(shù)。

在差分吸收光譜方法的基本思路是: 由氣體分子吸收引起的光學(xué)厚度的變化是隨著波長變化而快速變化的，由瑞利散射和米氏散射引起的光學(xué)厚度的變化是隨著波長變化而緩慢變化的。因此，可以將分子引起的光譜快播變化部分稱為“窄帶”部分，對應(yīng)于頻率中的高頻部分，將瑞利散射和米氏散射引起的光譜慢波變化部分稱為“寬帶”部分，對應(yīng)于頻率中的低頻部分，采用高通濾波器可以將“窄帶”部分的光譜分離出來。氣體的標(biāo)準(zhǔn)吸收截面σi (λ)也分為兩部分：

其中：σi?(λ)為吸收截面寬帶光譜吸收部分，σi’(λ)為吸收截面中窄帶光譜吸收部分。

微分橫截面σ’是總橫截面σ與緩慢變化的σ?之間的差

結(jié)合上述兩個等式，即可分離出差分光學(xué)厚度，并與差分吸收截面進(jìn)行擬合，測量出大氣中痕量氣體的濃度，并有效的消除瑞利散射和米氏散射的影響。DOAS技術(shù)的一項關(guān)鍵步驟是提取原始光譜中表示氣體特征吸收的快波變化部分。目前使用的快波變化和慢波變化分離的方法中， Savitzky-Gloay數(shù)字平滑多項式法是效果比較好的方法，它是一種基于多項式利用最小二乘法進(jìn)行擬合的最佳擬合方法。

DOAS技術(shù)路線的產(chǎn)品推薦：

①脈沖氙燈模塊L13651 系列及其他

②氙氣燈L2273 及其他

③氘燈L2D2 / S2D2 系列

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