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)識了不少同行，也有了一些認(rèn)識和感受，在這里與業(yè)內(nèi)各位朋友分享，有錯誤的地方請大家指正。
利用激光進(jìn)行氣體檢測分析有很多技術(shù)路線，
主要包括直接吸收測量技術(shù)、波長調(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，這也是我們平常口中的激光氣體分析技術(shù)，也就是可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)，簡稱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，而且吸收波長也不一樣。光譜法就成為一種廣泛應(yīng)用的氣體檢測方法。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，但就因為使用了激光作為光源，導(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，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氣體（如圖1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(qiáng)，通過測量被吸收后的光能進(jìn)行氣體濃度的計算。
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
下面舉一個例子說明兩種技術(shù)之間的差異。圖2是甲烷在某個波長范圍的吸收譜線，一個點(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，光源發(fā)出的是一個寬譜光源，經(jīng)過窄帶濾光片后，以目前的工藝，考慮性價比，波長范圍一般半寬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，信噪比相對較低。為了提高穩(wěn)定性，一般需要使用雙通道，一個是有氣體吸收的通道，一個是沒有吸收的通道，通過參比消除光能波動等影響。
圖3 基于NDIR技術(shù)的甲烷檢測光譜覆蓋范圍
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。由于激光的波長受溫度和驅(qū)動電流大小的影響，激光波長難以穩(wěn)定在特定波長上。因此激光氣體檢測技術(shù)一般需要對激光器進(jìn)行高精度的溫控，保證溫度對激光器出射光的影響可忽略，然后利用周期性電流對激光器進(jìn)行調(diào)制，讓激光波長周期性掃描經(jīng)過吸收譜線。
在一個周期內(nèi)，檢測器檢測到的信號在吸收處產(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高至少一個數(shù)量級。
（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氣多個數(shù)量級時，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)高一個數(shù)量級。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、檢測器、控制檢測電路等幾個部分。
（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(qiáng)度有多大，同時波長也是激光器價格的決定因素。比如中遠(yuǎn)紅外量子級聯(lián)激光器價格一般至少3萬左右，近紅外激光器相對價格較低。
相同波長的激光器，是否內(nèi)置TEC也存在較大的價格差異。內(nèi)置TEC和熱敏電阻的激光器易于控溫，設(shè)計較為簡便，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)計影響因素很多，設(shè)計難度大。
（2）氣室由于激光擁有很高的調(diào)制頻率，同時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式。
原位安裝式一般用于管道、煙道等工況的在線監(jiān)測，其最大優(yōu)勢就是系統(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、震動太強(qiáng)、管道細(xì)的場合就不適合原位安裝。劣勢首先是光程受限，很多場合不一定能滿足測量精度要求；其次對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)
遙測式主要用于可燃?xì)庑孤⒋髿馕廴疚锉O(jiān)測等方面。主要優(yōu)勢是移動式監(jiān)測；可對光通過空間內(nèi)的被測氣體進(jìn)行測量。對尋找可燃?xì)庑孤c(diǎn)、高空大氣污染物等有一定優(yōu)勢。缺點(diǎn)是監(jiān)測精度不高，一般用于定性監(jiān)測較好。
圖7 遙測式結(jié)構(gòu)
流通池的主要優(yōu)勢是可以在較小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)很長的光程，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。
單通道式是最簡單的氣室結(jié)構(gòu)，簡單穩(wěn)定成本低是其最大優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)長光程檢測。
懷特池和赫里奧特都可以在較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較長的光程，一般可以實(shí)現(xiàn)幾米到幾十米的光程，更長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，檢測信號能產(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)更高的檢測靈敏度。
激光驅(qū)動部分主要實(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，主要根據(jù)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(shù)的產(chǎn)品形態(tài)主要有點(diǎn)式報警探頭、原位安裝過程氣體監(jiān)測系統(tǒng)、旁路式激光氣體檢測模塊、遙測式激光氣體檢測儀四種，下面逐一介紹。
（1）點(diǎn)式報警探頭點(diǎn)式報警探頭這種產(chǎn)品形態(tài)主要應(yīng)用于甲烷超標(biāo)報警，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，而且這個波長的激光器相對成本較低，同時甲烷作為可燃?xì)鈭缶瘷z測的最小量程一般為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、漂移小的優(yōu)點(diǎn)，但如前文所述，這種結(jié)構(gòu)對環(huán)境溫度適應(yīng)性受限，很難達(dá)到-40~70℃這樣的室外報警傳感器國標(biāo)要求。
（2）原位式安裝過程氣體監(jiān)測系統(tǒng)原位式激光氣體分析技術(shù)是市場上最常見，憑借其無需預(yù)處理、響應(yīng)速度快的優(yōu)勢占了一部分在線分析市場。主要用于化工、鋼鐵等行業(yè)的工業(yè)過程檢測，檢測對象主要是O2、CO、CO2、NH3、HF、HCl等氣體。
原位安裝優(yōu)勢很明顯，單頁存在一些限制。其中，最大限制是光程長度，其次是粉塵、震動等環(huán)境因素。比如原位激光氧氣在線監(jiān)測，如果有效管道如果直徑如果小于50cm就很難準(zhǔn)確監(jiān)測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，因此對于CO和CO2，%級測量和PPM級測量成本相差較大
。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)場實(shí)際使用環(huán)境，對實(shí)際應(yīng)用的時間成本較高；同時，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模塊旁路激光氣體檢測模塊也是一種常見的形態(tài)，該類檢測模塊失去了原位安裝的實(shí)時響應(yīng)，但可以利用不同的氣體流通池極大地拓展光程，提高氣體檢測靈敏度，同時受現(xiàn)場工況影響較小，運(yùn)行更穩(wěn)定。
另外，對于需要進(jìn)行微量分析的氣體，需要長光程時，一般需要使用旁路式激光檢測模塊（除類似HF等吸收很強(qiáng)的氣體外）。
圖10 旁路激光氣體檢測模塊遙測式主要應(yīng)用于甲烷泄漏檢測和汽車尾氣檢測。汽車尾氣遙測是這幾年興起的一個新興應(yīng)用場景。利用馬路邊或者高速龍門上的激光遙測分析儀，可以實(shí)時快速檢測行駛中的汽車尾氣排放情況。利用遙測式激光甲烷檢測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。2018年的美國西部光電展上中遠(yuǎn)紅外量子級聯(lián)激光器如雨后春筍一般涌現(xiàn)，價格相比前幾年也有明顯下降，部分已降至3萬人民幣左右。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)的成本至少高一個數(shù)量級。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)萬元，而貴的TDLAS氣體分析模塊需要數(shù)十萬。
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，會使芯片成本有明顯的降低，使每個領(lǐng)域都能用的起TDLAS。
（3）微型化最近看到報道，有團(tuán)隊研制了片上TDLAS，將激光器、檢測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)微信公眾號于2019年4月3日發(fā)布的文章
