一、前言
近幾年一直在做激光氣體分析技術(shù)的研究和開發(fā)工作，幾年下來認(rèn)識(shí)了不少同行，也有了一些認(rèn)識(shí)和感受，在這里與業(yè)內(nèi)各位朋友分享，有錯(cuò)誤的地方請(qǐng)大家指正。
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?？谥械募す鈿怏w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。二、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。激光氣體分析技術(shù)一般使用紅外可調(diào)諧激光器作為光源，與紅外NDIR技術(shù)有一些相似之處，但就因?yàn)槭褂昧思す庾鳛楣庠矗瑢?dǎo)致與紅外NDIR技術(shù)存在很大差異。
關(guān)于NDIR技術(shù)，具體可關(guān)注本公眾號(hào)，閱讀《十分鐘成為紅外氣體分析技術(shù)專家》。TDLAS與NDIR技術(shù)相同之處在于兩者都是利用光通過被測(cè)氣體（如圖1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1 基于光譜吸收氣體分析技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)組成
TDLAS與NDIR技術(shù)也存在很大的區(qū)別，可以說光源性質(zhì)的不同是兩種技術(shù)差異的根本原因。兩種光源的對(duì)比如表1所示。
表1 激光光源與紅外光源區(qū)別
下面舉一個(gè)例子說明兩種技術(shù)之間的差異。圖2是甲烷在某個(gè)波長(zhǎng)范圍的吸收譜線，一個(gè)點(diǎn)表示一條吸收線。
圖2 甲烷某區(qū)域吸收譜線
如果采用NDIR技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，光源發(fā)出的是一個(gè)寬譜光源，經(jīng)過窄帶濾光片后，以目前的工藝，考慮性價(jià)比，波長(zhǎng)范圍一般半寬180nm，也有90nm的，這樣濾光后的光將基本覆蓋所有譜線，如圖3所示。
由于實(shí)際吸收譜線的線寬很窄（圖中的點(diǎn)大小已經(jīng)遠(yuǎn)超出實(shí)際線寬在坐標(biāo)中的值），因此相比總光能，被吸收的光能占比較小，信噪比相對(duì)較低。為了提高穩(wěn)定性，一般需要使用雙通道，一個(gè)是有氣體吸收的通道，一個(gè)是沒有吸收的通道，通過參比消除光能波動(dòng)等影響。
圖3 基于NDIR技術(shù)的甲烷檢測(cè)光譜覆蓋范圍
如果采用TDLAS技術(shù)，激光的線寬要小于單根吸收譜線的寬度，如圖4所示。由于激光的波長(zhǎng)受溫度和驅(qū)動(dòng)電流大小的影響，激光波長(zhǎng)難以穩(wěn)定在特定波長(zhǎng)上。因此激光氣體檢測(cè)技術(shù)一般需要對(duì)激光器進(jìn)行高精度的溫控，保證溫度對(duì)激光器出射光的影響可忽略，然后利用周期性電流對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制，讓激光波長(zhǎng)周期性掃描經(jīng)過吸收譜線。
在一個(gè)周期內(nèi)，檢測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)在吸收處產(chǎn)生凹陷，凹陷的大小與氣體濃度成正比。吸收點(diǎn)與非吸收點(diǎn)同時(shí)也具有參比效果，可以實(shí)現(xiàn)很高的穩(wěn)定性，而且信噪比很高。
圖4 TDLAS技術(shù)甲烷檢測(cè)過程示意圖
據(jù)以上分析，兩者在技術(shù)上的區(qū)別主要有以下幾點(diǎn)：
（1）信噪比差異，相同吸收強(qiáng)度下，TDLAS靈敏度比NDIR高至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。
（2）光譜線寬的差異使TDLAS技術(shù)的交叉干擾顯著優(yōu)于NDIR技術(shù)，一般只有當(dāng)背景氣濃度高于被測(cè)氣多個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，TDLAS的交叉干擾才能顯現(xiàn)。
（3）激光調(diào)制頻率高以及相應(yīng)的檢測(cè)器相應(yīng)速度高，可以實(shí)現(xiàn)比NDIR技術(shù)更快的響應(yīng)速度。
（4）TDLAS技術(shù)成本一般NDIR技術(shù)高一個(gè)數(shù)量級(jí)。三、激光氣體分析核心部件
與紅外NDIR技術(shù)一樣，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。
表2 激光光源分類
激光器的所有參數(shù)中波長(zhǎng)是最重要的一個(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。比如中遠(yuǎn)紅外量子級(jí)聯(lián)激光器價(jià)格一般至少3萬(wàn)左右，近紅外激光器相對(duì)價(jià)格較低。
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5所示。
圖5 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)，其最大優(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。劣勢(shì)首先是光程受限，很多場(chǎng)合不一定能滿足測(cè)量精度要求；其次對(duì)工況有一定的選擇性；最后必須要有氮?dú)獗Ｗo(hù)，使用有一定門檻。
圖6 原位式結(jié)構(gòu)
遙測(cè)式主要用于可燃?xì)庑孤⒋髿馕廴疚锉O(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一定優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)是監(jiān)測(cè)精度不高，一般用于定性監(jiān)測(cè)較好。
圖7 遙測(cè)式結(jié)構(gòu)
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。
單通道式是最簡(jiǎn)單的氣室結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單穩(wěn)定成本低是其最大優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)光程檢測(cè)。
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。
圖8 長(zhǎng)程腔氣體流通池結(jié)構(gòu)示意（a.懷特池 b.赫里奧特池）
檢測(cè)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(qū)有較強(qiáng)響應(yīng)，銦鎵砷和光電二極管可在中紅外有較強(qiáng)的響應(yīng)。
圖8 各類檢測(cè)器
常見的激光氣體分析技術(shù)可以使用
直接吸收法和
二次諧波法實(shí)現(xiàn)。直接吸收法一般用于吸收強(qiáng)度較大，檢測(cè)信號(hào)能產(chǎn)生明顯畸變的情況下。二次諧波法利用鎖相放大器，可以實(shí)現(xiàn)更高的檢測(cè)靈敏度。
激光驅(qū)動(dòng)部分主要實(shí)現(xiàn)激光器的高精度電流掃描，一般使用周期性三角波或者鋸齒波，如果使用二次諧波法還需要在三角波或者鋸齒波上疊加正弦波。
溫控主要用于對(duì)激光器進(jìn)行高精度溫度控制，一般要求溫度控制穩(wěn)定性優(yōu)于0.05℃，如此高的溫度穩(wěn)定性控制要求使得TDLAS的環(huán)境溫度適應(yīng)性受到限制，一般0~50℃范圍實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，隨著溫度范圍的擴(kuò)大結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜度將顯著提高。
四、激光氣體分析技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
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)的產(chǎn)品形態(tài)主要有點(diǎn)式報(bào)警探頭、原位安裝過程氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、旁路式激光氣體檢測(cè)模塊、遙測(cè)式激光氣體檢測(cè)儀四種，下面逐一介紹。
（1）點(diǎn)式報(bào)警探頭點(diǎn)式報(bào)警探頭這種產(chǎn)品形態(tài)主要應(yīng)用于甲烷超標(biāo)報(bào)警，如圖所示，產(chǎn)品已經(jīng)接近電化學(xué)傳感器的外形和使用方式。
由于甲烷在1650nm附近剛好有較強(qiáng)的吸收峰，而且這個(gè)波長(zhǎng)的激光器相對(duì)成本較低，同時(shí)甲烷作為可燃?xì)鈭?bào)警檢測(cè)的最小量程一般為0~5%，濃度較高。綜合這幾點(diǎn)，剛好能將低成本的激光甲烷點(diǎn)式傳感器應(yīng)用于報(bào)警。
圖9 點(diǎn)式激光甲烷傳感器
這種傳感器一般采用擴(kuò)散式氣室結(jié)構(gòu)，同時(shí)可采用直接吸收法用于降低電路部分的復(fù)雜度。該類點(diǎn)式傳感器具有響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、漂移小的優(yōu)點(diǎn)，但如前文所述，這種結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境溫度適應(yīng)性受限，很難達(dá)到-40~70℃這樣的室外報(bào)警傳感器國(guó)標(biāo)要求。
（2）原位式安裝過程氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原位式激光氣體分析技術(shù)是市場(chǎng)上最常見，憑借其無需預(yù)處理、響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)占了一部分在線分析市場(chǎng)。主要用于化工、鋼鐵等行業(yè)的工業(yè)過程檢測(cè)，檢測(cè)對(duì)象主要是O2、CO、CO2、NH3、HF、HCl等氣體。
原位安裝優(yōu)勢(shì)很明顯，單頁(yè)存在一些限制。其中，最大限制是光程長(zhǎng)度，其次是粉塵、震動(dòng)等環(huán)境因素。比如原位激光氧氣在線監(jiān)測(cè)，如果有效管道如果直徑如果小于50cm就很難準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)1%以下的氧氣。CO和CO2等氣體在近紅外區(qū)域吸收很弱，在2um以上區(qū)域有較強(qiáng)的吸收，而兩種激光器的成本相差巨大，因此對(duì)于CO和CO2，%級(jí)測(cè)量和PPM級(jí)測(cè)量成本相差較大
。另外，原位安裝與應(yīng)用環(huán)境密切相關(guān)，安裝調(diào)試需考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用環(huán)境，對(duì)實(shí)際應(yīng)用的時(shí)間成本較高；同時(shí)，原位安裝必須有氮?dú)膺M(jìn)行鏡頭保護(hù)，增加了使用成本。
（3）旁路式激光氣體檢測(cè)模塊旁路激光氣體檢測(cè)模塊也是一種常見的形態(tài)，該類檢測(cè)模塊失去了原位安裝的實(shí)時(shí)響應(yīng)，但可以利用不同的氣體流通池極大地拓展光程，提高氣體檢測(cè)靈敏度，同時(shí)受現(xiàn)場(chǎng)工況影響較小，運(yùn)行更穩(wěn)定。
另外，對(duì)于需要進(jìn)行微量分析的氣體，需要長(zhǎng)光程時(shí)，一般需要使用旁路式激光檢測(cè)模塊（除類似HF等吸收很強(qiáng)的氣體外）。
圖10 旁路激光氣體檢測(cè)模塊遙測(cè)式主要應(yīng)用于甲烷泄漏檢測(cè)和汽車尾氣檢測(cè)。汽車尾氣遙測(cè)是這幾年興起的一個(gè)新興應(yīng)用場(chǎng)景。利用馬路邊或者高速龍門上的激光遙測(cè)分析儀，可以實(shí)時(shí)快速檢測(cè)行駛中的汽車尾氣排放情況。利用遙測(cè)式激光甲烷檢測(cè)儀可以極大的提高天然氣管線巡檢效率，查找泄漏點(diǎn)。
圖11 汽車尾氣遙測(cè)系統(tǒng)
激光吸收光譜技術(shù)發(fā)展方興未艾，隨著光電子器件的發(fā)展以及應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，這一技術(shù)將向
中遠(yuǎn)紅外、低成本、集成化的方向發(fā)展。
（1）中遠(yuǎn)紅外大部分氣體在中遠(yuǎn)紅外區(qū)域有著強(qiáng)烈的吸收，比如CO2在中紅外區(qū)域的吸收是近紅外的10000倍以上，可以輕易的進(jìn)行微量氣體的檢測(cè)。2018年的美國(guó)西部光電展上中遠(yuǎn)紅外量子級(jí)聯(lián)激光器如雨后春筍一般涌現(xiàn)，價(jià)格相比前幾年也有明顯下降，部分已降至3萬(wàn)人民幣左右。成本問題的解決將使中紅外激光氣體分析技術(shù)的普及無法阻擋。
（2）低成本目前，相比NDIR技術(shù)而言，TDLAS技術(shù)的成本至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)。比如最便宜的NDIR氣體分析模塊只需幾百元，而最便宜的TDLAS氣體分析模塊至少需要幾千元；已知的最貴的NDIR氣體分析模塊數(shù)萬(wàn)元，而貴的TDLAS氣體分析模塊需要數(shù)十萬(wàn)。
隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模的拓展，會(huì)使芯片成本有明顯的降低，使每個(gè)領(lǐng)域都能用的起TDLAS。
（3）微型化最近看到報(bào)道，有團(tuán)隊(duì)研制了片上TDLAS，將激光器、檢測(cè)器等光電子器件全部集成在芯片上，實(shí)現(xiàn)微型化、低成本。這一技術(shù)的發(fā)展未來甚至有可能將TDLAS引向消費(fèi)電子領(lǐng)域。
轉(zhuǎn)載：極善思傳感技術(shù)微信公眾號(hào)于2019年4月3日發(fā)布的文章
