中科院半导体所科技成果——基于TDLAS技术的气体传感器
科技成果——基于TDLAS技术的激光在线气体分析技术
科技成果——基于TDLAS技术的激光在线气体分析技术技术开发单位山西国惠光电科技有限公司适用范围本技术适用于钢铁、冶金、石化、环保、生化、航天等行业的气体泄漏安全监测。
该技术弥补了目前市场上的“点”式测量探头只能测量空间某个“测量点”，有一定盲区的技术不足，实现了空间“线”区域的气体浓度测量，测量气体浓度可完全覆盖一定区域，弥补了“点”式测量原理的技术不足。
成果简介采用半导体激光调制光谱吸收技术（简称TDLAS技术）实现了O2、CO、CH4、CO2、H2S、NH3、HCN、H2O、HF、HCl等几十种工业过程气体浓度的实时测量，测量灵敏度可达到ppm、ppb级。
半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术利用激光能量被气体分子“选频”吸收形成吸收光谱的原理来测量气体浓度。
由半导体激光器发射出特定波长的激光束（仅能被被测气体吸收），穿过被测气体时，激光强度的衰减与被测气体的浓度成一定的函数关系符合比尔朗伯定律，因此，通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。
关键技术关键技术一：TDLAS激光光谱分析技术。
采用先进的激光波长调制光谱分析技术来实现对气体浓度的反演测量，提高系统测量精度，使系统测量精度达到ppm级。
关键技术二：高精度、低噪声激光波长调试技术。
通过采用精密电子技术，达到对激光器温度精密控制，激光器工作电流的精密控制来实现对激光波长的精密调谐，温度控制稳定度要达到10mK的精度。
关键技术三：高性能数字信号处理嵌入式平台处理技术。
能够对测量信号进行高速采集，实时高速数据处理，数字信号滤波能功能，来实现设备的高灵敏度测量。
主要技术指标（1）以O2为例，气体测量量程：0-2%；系统测量时间：≤1s；线性误差：≤±2%F.S（测量范围）；量程漂移：≤±2%F.S（测量范围）；零点漂移：≤±2%F.S（测量范围）。
（2）防爆标志：ExdIIBT4；防护等级：IP65；电源：DC-24V/3A；吹扫气体：0.3-0.8MPa工业氮气；工业环境温度：-20℃到50℃。
基于TDLAS技术的HCl气体在线探测温度补偿方法研究
其 中， ｓ是吸收线强 ， （ ） ｇ 是线 型 函数 ，Ｎ 是吸收分 子
数浓度 ， Ｌ是光程 ， 常匪实验 条件 下 ， 型受碰 撞展宽 影 在 线 响， 呈现洛伦兹线型 。为 了提 高系统的检测 灵敏度 ，本文采
性和腐蚀性 ， 会导致环境 污染并损害人 体健康 ，例如 ：在废
物焚烧炉中 ， 燃料中的 ｃ ，９ 都会转换 为 ＨＣ 气 体。ＨＣ １ Ｏ １ １
Ｉ ， ＣＩＳ （ （ ） ２ 。 ｏ １ 厂 ＮＬ Ｈｇ （） ２
线宽等特性 ， 通过检测气体的一条振转吸收线来 实现气体浓 度的快速检测［ 。 ３ 本文介绍 了一种 基于开放 光路 的近红外 一ｌ 可调谐半导体激光光谱 ＨＣ 管道 在线检测 系统 ， １ 重点研究 了
温度 对 在 线 监 测 的影 响 及 其 补 偿 方 法 ；通 过 模 拟 实 验 ， 证 验
２ 实验装 置及 过程
在实验室里完成 了 ＨＣ 在模拟烟道 中的测量 。 １ 实验采用
了该 系统能够满足在工业领域及恶 劣环境 中应用 的需求 。
１ 基于 Ｔ Ｌ Ｓ Ｄ Ａ 技术 的气体检测原理
Ｔ ＡＳ是一 种 以激 光作 为 光源 的高分 辨 吸 收光 谱 技 ＤＬ
收 稿 日期 ：２ ０ —５１ ， 订 日期 ：２０ —８２ ０ ９０ —０ 修 ０ ９０—Ｏ
高了 Ｔ Ｌ Ｓ传感器在工业高温环境下测 量气体浓度的准确性和可行性。 Ｄ Ａ 关键词 ＴＤ ； Ｉ ＡＳ 在线监测 ＨＣ 浓度 ；ＩＣ 浓度 的温度修正系数 １ ｔ１
文献标识码 ： Ａ Ｄ ：１． ９ ４ｊｉ ｎ １０ —５３ ２ １ ）５１５—５ ＯＩ ０ ３ ６／．ｓ ． ０ ００ ９ （０ ００ —３ ２０ ｓ
半导体式气体传感器研究报告
半导体式气体传感器研究报告引言半导体式气体传感器是一种常见且重要的气体检测技术。
它通过半导体材料的导电性质的变化来检测气体的存在和浓度。
本研究报告将对半导体式气体传感器进行全面、详细、完整且深入地探讨。
半导体材料的基本原理在介绍半导体式气体传感器的工作原理之前，我们先来了解一下半导体材料的基本性质。
半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的物质，它的导电性能可以通过控制其杂质浓度和温度来进行调节。
半导体式气体传感器的工作原理半导体式气体传感器利用半导体材料的导电性质对气体进行检测。
当半导体材料暴露在待测气体中时，气体分子会与材料表面发生反应，改变材料的导电性质。
这种改变可以通过测量电阻、电流或电压的变化来检测。
半导体式气体传感器的优点半导体式气体传感器具有以下几个优点： - 灵敏度高：半导体材料与气体分子之间的反应非常灵敏，可以检测到非常低浓度的气体。
- 响应快速：由于半导体材料的导电性质可以迅速改变，因此半导体式气体传感器具有快速的响应速度。
-成本低廉：半导体材料的制备工艺相对简单，成本较低，因此半导体式气体传感器的价格相对较低。
半导体式气体传感器的应用领域半导体式气体传感器在许多领域都有广泛的应用，以下是一些常见的应用领域： 1. 工业安全：半导体式气体传感器可以用于检测工厂中的有害气体，及时发现气体泄漏，保障工人的安全。
2. 室内空气质量监测：半导体式气体传感器可以用于监测室内的气体浓度，确保室内空气的质量。
3. 环境监测：半导体式气体传感器可以用于监测大气中的污染物浓度，为环境保护提供数据支持。
半导体式气体传感器的发展趋势随着科技的进步，半导体式气体传感器也在不断发展和改进。
以下是一些半导体式气体传感器的发展趋势： - 小型化：随着集成电路技术的不断发展，半导体式气体传感器越来越小型化，可以方便地集成到各种设备中。
- 多功能：未来的半导体式气体传感器有望实现多功能集成，可以同时检测多种气体。
基于TDLAS技术的甲烷气体泄露成像检测
基于TDLAS技术的甲烷气体泄露成像检测概述甲烷是一种常见的温室气体，对全球气候变化有着重要影响。
而甲烷泄露可能导致爆炸、火灾等安全事故，因此对甲烷气体泄露进行快速、准确的检测显得尤为重要。
本文主要介绍了一种基于TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）技术的甲烷气体泄露成像检测方法。
TDLAS技术基本原理TDLAS技术利用可调谐二极管激光器（TDL）作为光源发出一束精确波长的激光光束，并通过光谱吸纳测量样品中特定气体的浓度。
依据不同气体对特定波长激光的吸纳程度，可以得到气体的浓度信息。
TDLAS技术具有高区分率、灵敏度高、反应迅速等优点，特殊适合用于气体泄露检测。
甲烷气体泄露成像检测方法甲烷气体泄露成像检测方法基于TDLAS技术，通过对泄露空间进行扫描，得到到泄露区域甲烷浓度的空间分布信息。
该方法主要包括以下几个步骤：1. 系统搭建：搭建甲烷气体泄露成像检测系统，包括TDL激光器、光谱分析仪、样品接收器等。
2. 成像扫描：将TDL激光器与光谱分析仪进行毗连，激光器发出特定波长的激光光束，经过样品接收器接收并转化为电信号。
光谱分析仪对接收到的信号进行处理，并得到各个位置的甲烷浓度。
3. 数据处理：将得到的甲烷浓度数据进行处理，生成泄露区域的浓度分布图。
可以利用图像处理算法进行降噪和增强处理，提高成像效果。
4. 报警与定位：依据甲烷浓度分布图，进行趋势分析和异常检测，当浓度超过安全阈值时，自动报警并提供泄露位置的定位信息，以便进行紧急处理。
优势与应用方法具有以下优势：1. 高灵敏度：TDLAS技术具有高灵敏度，能够对低浓度的甲烷进行精确检测。
2. 快速反应：TDLAS技术响应速度快，可以实时监测甲烷泄露状况，提高安全性。
3. 空间成像：通过扫描泄露空间，可以得到甲烷浓度的空间分布信息，便于分析和定位泄露源。
方法在以下领域具有广泛应用前景：1. 工业安全：在石油化工、自然气等工业领域，准时发现和处理甲烷泄露，可以有效预防火灾和爆炸事故的发生。
基于TDLAS的气体检测技术算法
关键词：TDLAS; 气体检测； 谐波信号； 数值模拟
中图分类号：TN247
文献标志码：A
DOI： 10.3788/A20194&0517007
Gas detection technology algorithm based on TDLAS
Jia Junwei, Li Wei, Chai Hao, Zhang Shufeng, Zhang Mingzhi, Cui Hongfei, Liu Jingmin, Liu Zhan
种具有高灵敏度、高分辨率的气体吸收光谱检测技术，具有响应快、精度高、单模特性优秀、通用性强
等优势。TDLAS直接吸收法通过测量绝对吸收强度来计算待测气体温度和浓度,但容易受到颗粒物浓
度、激光强度波动等影响。TDLAS波长调制法采用高频正弦信号对激光器进行调制，使得激光输出频率
和强度同时受到调制，具有高信噪比和灵敏度的特点，但是需要通过标定实验或复杂的算法来确定气体
第48卷
modulation amplitude reached up to a=0.032 cm'1 (m=2), which further proved the reliability of on-line
第48卷第5期 Vol.48 No.5
红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering
2019年5月 May. 2019
基于TDLAS的气体检测技术算法
贾军伟，李伟，柴 昊，张书锋，张明志，崔鸿飞，刘敬敏，刘 展
(北京东方计量测试研究所，北京100086)
摘 要：可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)技术是一
基于TDLAS的甲烷传感器高灵敏信号处理方法研究
基于TDLAS的甲烷传感器高灵敏信号处理方法研究摘要：基于可调谐半导体激光吸收光谱，提出了一种新的数字信号处理方法用于提高吸收光谱测量的灵敏度．将该方法应用于瓦斯气体探测实验，研究结果表明：采用卡尔曼滤波可以使波长调制光谱的信噪比提高一个数量级，由于该方法不需要增加系统设备的成本，故比其他噪声抑制技术有更实用价值。
关键词：吸收光谱；信号处理；滤波；瓦斯1 引言随着煤矿开采、石油化工、燃煤发电等行业的快速发展，工业过程会产生各种污染气体，不仅造成大气污染、酸雨和城市光学学烟雾、甚至爆炸对人的生命产生直接的威胁。
因此，工业过程的监控就变得越来越重要。
可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）广泛的用于分子吸收光谱研究[1-3]，并开始应用到上述领域的工业过程监测[4-7]。
但是，在被测气体往往在该波段内分子的吸收强度较弱，探测灵敏度低。
此外还由于气体对人射光的吸收很小，光强的相对变化很小，所以测量得到的吸收光谱信号很容易受到各种噪声和误差的干扰。
在低信噪比的情况下，仪器检测结果的可靠性就变得非常差。
为了抑制各种噪声，TDLAS技术中发展了幅度调制、扫描积分、波长调制下的二次谐波检测等技术方法[8，9]。
随着计算机技术和各种算法的快速发展，数字信号处理技术开始受到学者们的关注并取得了一定的研究成果[10，11]。
本文报道了一种可以提高仪器探测灵敏度的卡尔曼滤波数字信号处理技术。
2 卡尔曼数字信号处理技术2.1 噪声源分析在TDLAS传感器中（系统原理如图1所示），信号的噪声源非常多，主要包括伴随着激光固有的噪声、电噪声及光学噪声等；伴随噪声源包括光学元器件的热胀冷缩、激光频率的漂移、标准具效应等；以及外部影响带来的噪声，例如由于光程、浓度和粉尘等众多因素的影响；此外，吸收光谱中包含的被测气体浓度的信息量通常也比较少，信号的信噪比非常低。
虽然原有的幅度调制、扫描积分和波长调制下的二次谐波检测等技术方法在一定程度上提高了信噪比，但是还远远满足不了实际应用的需要。
基于半导体激光器的气体传感器研究
基于半导体激光器的气体传感器研究基于可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）的气体传感技术在气体浓度检测领域具有其他方法无可比拟的优势：具有很高的测量精度，可达ppm甚至ppb量级；针对性强，不会被其他气体成分干扰，可同时对多种气体进行检测；具有极快的响应速度；测量过程中与气体无接触且不对待测气体产生影响；由于采用DFB激光器检测气体，可以有效抵抗腐蚀及电磁干扰，并且可以工作在人类无法靠近或接触的各种恶劣环境中。
本文主要从利用TDLAS技术对有毒、有害气体如二氧化硫、二氧化氮进行浓度检测出发，介绍了相关的研究背景、研究意义，将其他几种气体浓度检测方法与基于TDLAS的浓度检测方法进行比较，后者表现出巨大的优越性；接着介绍了测量原理，提出了适应不同情况的两种测量方法：直接法和谐波法；随后分别从气体吸收峰的选择、激光器的选择、温控电路设计、程控电流源设计等方面介绍了系统各组成部分具体方案设计，接着得出了大概的测量结果；最后对全文进行总结并对TDLAS技术的发展前景给予展望。
关键词：DFB激光器，TDLAS，二氧化硫，浓度检测，谐波法目录摘要......................................................................... 错误!未定义书签。
Abstract...................................................................... 错误!未定义书签。
目录 (I)第一章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 常见的气体分析技术介绍 (2)1.2.1 化学分析法 (2)1.2.2 气相色谱法 (2)1.2.3 吸收光谱法 (3)1.2.4 可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术 (4)1.3 TDLAS技术国内外研究现状和发展趋势 (5)1.4 本文的主要工作 (6)第二章可调谐半导体激光吸收光谱技术 (7)2.1 检测原理 (7)2.2 气体吸收的两种情况 (8)2.3 吸收峰的锁定方法 (11)2.4 锁相放大技术 (14)第三章基于TDLAS的气体浓度检测系统设计 (15)3.1 系统总体设计 (15)3.2 系统具体方案设计 (15)3.2.1 气体吸收峰的选择 (15)3.2.2 激光器的选择 (17)3.2.3 激光器温控电路设计 (19)3.2.4 激光器程控电流源设计 (20)3.2.5 待测气体气室设计 (21)3.2.6 光电探测器的选择 (22)3.2.7 调理电路的设计 (23)3.3 装置及测量结果 (24)第四章结论和展望 (26)4.1 结论 (26)4.2 展望 (26)第一章绪论1.1 引言随着社会经济的的飞速发展，人们的生活条件显著提升，由此带来的环境问题也愈发严峻。
基于TDLAS的火灾气体探测系统研制
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第１ ６卷 第 ３期 ２００７年 ７月
火
灾
科
学
Ｖｏ． ６ Ｎｏ ３ １１ ， ．
ＦＩ ＲＥ ＡＦＥＴＹ ＣＩ Ｓ Ｓ ＥＮＣＥ
Ｊ １ ｕ ．２ ０ ０ ７
文 章编号 ：０ ４５ ０ （ ０ ７ 一１ ８０ １ ０ —３ ９ ２ ０ ）０ ２ —５
系统 的灵 敏度 。二 是利 用新 的传 感技 术 提取火 灾特
收稿 日期 ：０ ７０ —４ 修 改 日期 ：０ ７０ —６ ２ ０ —４２ ； ２ ０ —６０ 基金项 目： 安徽 省二期科技攻关计划资 助项 目（４ １０ ８ ００３４）
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Ｖｏ． ６Ｎｏ ３ １１ ．
收气 体浓 度 ， 而且 能 够 把 待测 分 子 与背 景 的 干扰 区
高 的灵 敏度 （０ 量 级 ， 分 气 体 可 以达 到 １ 量 １ 部 Ｏ
为 达到灵 敏 可 靠 的火灾 早期 报 警 ，当前 从 两个 方 面来提 高火 灾 探 测 系统 的 性 能 。一 是综 合 多 参 数、 多判据 的 复合 探 测 ，它 借 助 人 工 智 能 的方 式 有 效 地减少 了系统 的误 报 和漏 报 ＿ 。但 是 这对 于 极 １ ］
早期 的火 灾 探测 还不 够 ，因为它 没有 从 本质 上 提 高
基于TDLAS的调制光谱技术及其在气体检测中的应用
中文摘要中文摘要随着现代激光技术的发展，可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术因其具有光谱分辨率高、选择性好、灵敏度高、响应速度快等优势，所以被越来越多地应用于大气环境监测、燃烧诊断、危险气体泄漏安全监测、工业过程控制以及医学诊断等领域。
而调制光谱技术和多光程吸收池常用于提高TDLAS系统的检测灵敏度及测量稳定性。
本文主要对TDLAS的调制光谱技术及其在气体检测中的应用展开研究。
首先研究了波长调制理论，实验搭建了一套波长调制气体吸收光谱测量系统，实现了燃烧中的CO2和CO的单激光器同时测量；其次，研究了免校准波长调制光谱理论，并从实验上验证了免校准技术对探测光强及外界干扰的免疫能力，并采用免校准波长调制光谱技术搭建了小型化TDLAS系统，实现了单个激光器对空气中CO和CH4的实时监测；最后，研究了频率调制光谱技术，实验测量了NO分子b4∑ˉ-a4∏系统(3,0)带跃迁谱线，并研究采用频率调制技术抑制光谱系统中的干涉噪声，实现频率调制光谱系统的小型化及快速测量。
本论文的研究成果及创新主要包括：1. 研究了波长调制理论，并实验搭建了一套波长调制气体吸收光谱测量系统，使用单个分布反馈式(Distributed Feedback, DFB)激光器实现了对通信波段(1.58 μm)附近的CO2和CO的同时测量，并在1 s的积分时间内选取最佳平均次数为10次来进一步减小随机噪声的影响。
通过Allan方差分析，系统对CO2和CO的最低探测极限可分别达到7.5 ppm (10-6)和14 ppm。
此外，实验通过控制空气进量对蜡烛不同燃烧程度时产物中的CO2和CO浓度进行了实时测量。
2. 实验验证了通过一次谐波归一化二次谐波信号实现的免校准波长调制光谱对激光光强变化及气流影响、系统震动等外界干扰的免疫能力。
基于免校准波长调制理论搭建了小型化的多光程TDLAS系统，用于空气中CO和CH4的实时监测。
系统尺寸为60⨯30⨯25 cm3，采用集成化的FPGA控制系统和新型Herriott多光程吸收池，选择中心频率为2.3 μm的DFB激光器作为光源，排除空气中复杂气体成分的干扰，同时考虑空气中实际含量选择合适吸收线，实现对CO和CH4的同时测量。
基于TDLAS 的气体温度测量
使用频率为7 Hz 的三角波调制LD 的驱 动电流, 使LD 输出激光频率线性扫描过 谱线对R23Q24和R33Q34 , 频率扫描范 围为1 cm - 1 。实验中, 还使用频率为20 kHz 的正弦波调制LD 的驱动电流, 从 而调制激光频率来实现调制吸收光测量。 测量激光束经被测气体吸收后被硅传感 器接收并转换为电信号。该信号经过放 大、滤波等处理后通过锁相放大器对其 40 kHz(正弦波电流调制频率的2 倍)信号 分量进行相敏检测得到二次谐波信号。 该二次谐波信号经放大后由A /D 采样, 并 在计算机中进行处理和计算。根据二次 谐波信号得到气体温度、浓度值。
O2 在近红外波段的吸收谱线及所选谱线对
图示意了13 100 cm-1 附近O2 的弱吸收谱线带, 其由O2 分子的 电子跃迁1 Σ+g 3 Σ-g 产生, 通常称为A-band 。通过测量该谱线 带中的1 对谱线, 实现气体温度的测量。
选择上述2 条谱线, 主要考虑: 1) 所选谱线对的频 率间隔较小,为0.393 cm- 1 ,落在激光器 频率调谐范围内;同 时该谱线对又没有 发生明显重叠。 2) 该对谱线的线强 在测量温度范围内 较大, 可测量获得信 噪比较好的谱线测 量数据, 从而得到较 好的温度测量精度。
可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术已广 泛应用于大气污染物的浓度测量[ 2 , 3] 。利用 气体吸收光谱随温度变化的特性, TDLAS 技术 也可以实现温度测量。该技术属于非接触式测 量技术, 并具有受气体环境影响小、响应速度快 和可靠性高等优点, 并且可以实现气体温度和浓 度的同时测量本文研究基于TDLAS 的气体温度 测量技术。由于O2 存在于大量工业过程中, 选 择1 对O2 吸收谱线来进行温度测量;在搭建的高 温测量实验装置上, 实现了823 ～ 1 323 K 内 O2 温度和浓度的同时测量:在823 ～ 1 323 K , 温度测量的线性误差小于0. 65 %, 波动小于 ±15 K , 并且压力变化对温度测量的影响非常 小;同时还可以高精度地实现浓度的同时测量。 因此, 基于TDLAS 的气体温度测量技术能较好 地满足众多气体温度测量需求,特别在高温、强 腐蚀性和高响应速度等应用场合具有较广泛的 应用前景。
中科院半导体所科技成果——瓦斯气体探测系统
中科院半导体所科技成果——瓦斯气体探测系统项目成熟阶段生长期项目来源博士后基金、863重点项目支持成果简介可调谐半导体激光吸收光谱技术（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）是利用激光能量被气体分子“选频”吸收形成吸收光谱的原理来测量气体种类和浓度的一种技术。
从2003年开始在国家自然科学基金项目“大应变量子阱长波长半导体激光器的研制”的支持下制备了波长为1.6-1.8µm的分布反馈激光器。
半导体所借助自身在核心器件，核心技术上的优势，充分了解市场需求，在国家863项目支持（项目名称：基于量子阱激光器的气体检测系统关键技术研究）下，项目组研制出了基于红外光谱吸收原理的寿命长、可靠性高，全部部件国产化的甲烷气体检测仪，较以往采用多种检测技术并进行系统集成而言，采用TDLAS技术可大大简化仪器的结构，进而实现气体分析仪器的微型化、网络化（远距离数据无线传输）、智能化和自动化。
技术特点1、恶劣环境适应能力强，无需采样预处理系统，实现现场在线连续测量；2、克服了背景气体、水分和粉尘的吸收干扰，测量精度大大提高；3、响应速度快，实现工业过程实时在线管理；4、可同时检测多种气体参数，能测量分析多种气体，应用面广，仪器发展潜力大；5、光纤传输特性使系统的应用更加灵活，性价比更高。
主要性能指标CH4测量范围：0.01-99%测量误差：≤±1%F.S响应时间：<1s环境温度：0-40度报警方式和范围：声、光报警专利情况申请专利2项，主要涉及二次谐波吸收方法。
市场分析该项目研究成果可用于煤矿、隧道挖掘、天然气开采输运等领域。
此外，应用半导体所其他波长激光器，采用TDLAS技术可同时在线测量气体的浓度、温度和流速等，并可实现多种气体如CO、CO2、O2、HF、HCl、CH4、NH3、H2O、H2S、HCN、C2H2、C2H4等的自动检测，可广泛应用于钢铁、冶金、石化、环保、生化、航天等领域。
光纤气体传感器TDLAS及相关技术
常用气体检测技术比较气体检测仪从检测机理上可分为热催化、光干涉、气敏半导体、电化学、红外吸收等几大类，其中市场以热催化组件为主导。
主要气体检测技术性能比较Beer -Lambert 定律Beer -Lambert 定律描述，电磁辐射与原子和分子间的相互作用是光谱遥感探测污染物成分以及特性的基础，根据环境中痕量气体成分在紫外、可见和红外光谱的特征吸收性质来反演其浓度。
可调谐二极管激光光谱吸收技术作为光学遥感方法的一种，是用几百米到几公里，甚至更长的光程代替了传统试验室中的取样池，采用检测激光光束的透射谱，即使光束从待测气体的一侧入射通过污染气体，在另一端出射用探测器接收的方法。
发射器与接收器间的距离确定了光程(大气的折射率近似为1.0)，测量原理基于Beer -Lambert 定律。
在Beer -Lambert 定律中，一些基本概念如下：透射率（纵坐标--透射光谱）：0()()100%()I T I γγγ=⨯吸光度（纵坐标--吸光光谱）：1()()lg I A γγ=波长和波数的关系：波长（um ）⨯波数（1cm -）=100000()()exp(())I I C L λλσλ=-⋅⋅其中，()I λ为为透射光谱强度;0()I λ为激光的初始强度;()σλ则表示在波长入处的分子吸收系数，C 即为吸收物质的浓度，L 为总的光程。
进一步，根据实际应用要求，将上面的公式改进为：0()()exp(()())I I P S T C L λλφλ=-⋅⋅⋅其中，()S T 为谱线的线强度，只与温度有关，单位(cm -2Mpa)，可以运用HITRAN 数据库直接进行计算得出;P 为气体的总压，单位Mpa;()φλ为线性函数，表示被测吸收谱线的性质与温度、压强和气体的种类等有关。
可调谐二极管激光吸收检测技术可调谐二极管激光吸收光谱技术（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy TDLAS )是一种吸收光谱技术，通过分析测量光束被气体的选择吸收获得气体浓度。
基于TDLAS 的气体温度测量
3) 在823 ～ 1 323 K , 线强比值是温度的单 调函数;图2 示意了2 条谱线的线强及线强 比R 与温度T 的关系。利用T 与R 的唯一对应关系, 测量 得到R就可以得到T 。 4) R 对T 的灵敏度是 TDLAS 温度测量技术 的一个重要指标, 表示 为
低能级能量差越大, R 对T 的灵敏度越高。 根据表1的光谱数据, 所选2 条谱线的低能 级能量差为 814. 77 cm- 1 。在 823 ～ 1 323 K ,R 对T 的灵敏度均 大于0. 9 。由于R 是R 2 f 的决定性因 素, 所以R2 f 对T 的灵敏度也较高。
基于TDLAS 的气体温度测量
测量范围、特性
测量方法及原理
误差分析
在钢铁冶金、航空航天、石油化工、材 料和电力等行业中, 气体温度的实时准确测 量对生产工艺优化、能耗和污染降低、生 产效率提高和安全生产等具有重要的意义 气体温度测量技术按其工作方式可以分 为两类:接触式和非接触式。 前者主要有热电偶、热电阻和集成温度传 感器等测温技术[ 1] , 它会对被测温度场产 生扰动而造成测量误差, 高温或腐蚀性气体 介质还会降低测温元件的寿命。 后者主要有红外辐射、CCD 图像和声学测 温等[ 1] , 它虽不会扰动被测温度场, 但受 气体环境的影响较大。
从式(4)可知, 在测 量获得T 后可从谱线 的二次 谐波信号幅度获得 O2 的浓度。采用谱 线R23Q24 测量O2 浓度, 因为其二次谐 波信号幅度更强, 信 噪比更高。实验数 据表明, 在各个温度 下, 浓度测量的最大 相对误差为0. 83 %, 最大波动1.02%(相 对值)。。
参考文献
[ 1] NI Zhen-chu, YUAN Hong-yong, SHU Xue-ming. Presentday thermometry technologies[ J] . Fine Science and Technology(消防科学与技术), 2003 , 22(4):270-272. (in Chinese) [ 2] KAN Rui-feng, LIUWen-qing, ZHANG Yu-jun, et al . Tunable diode laser absorption spectrometer monitors the ambient methane with high sensitivity[ J] . Chinese Journal of Lasers(中国激光), 2005 , 32(9):1217-1220. (in Chinese) [ 3] Wang J,Maiorov M, Hanson R K, et al . In situ combustion measurements of CO with diode-laser absorptionnear 2. 3 μm[ J] . Appl Opt , 2000 , 39(30):5579-5589. [ 4] Silver J A, Kane D J. Diode laser measurement of concentration and temperature in microgravity combusition[ J] . Meas Sci Technol , 1999 , 10(10):845-852. [ 5] Arroyo M P, Langlois S, Hanson R K. Diode-laser absorption technique for simultaneous measurement of multiple gasdynamic parameters in high-speed flows containing water vapor[ J] . Appl Opt , 1994 , 33(15):3296-3307. [ 6] Liu J T C, Jeffries J B, Hanson R K. Wavelength modulation absorption spectroscopy with 2f detection using multiplexed diode lasers for rapid temperature measurements in gaseous flows[ J] . Appl Phys B , 2004 , 78(3 - 4):503511. [ 7] Allen MG. Diode laser absorption sensors for gas-dynamic and combustion flows[ J] . Meas Sci Technol , 1998, 9 (4):545-562. [ 8] Zhou X, Jeffreies J B, Hanson R K. Development of a fast temperature sensor for combustion gases using a single tunable diode laser[ J] . Appl Phys B , 2005, 81(5):711722. [ 9] GU Hait-ao, CHEN Ren, WANG Jian, et al . An field gas concentration analyzer based on diode-laser absorption spectroscopy[ J] . Chinese Journal of Scientific Instrument (仪器仪表学报), 2005, 26(11):1123-1126.(in Chinese)
基于FPGA 的短光程TDLAS 气体传感系统的实现
文章编号：2095－6835（2018）14－0046－05基于FPGA的短光程TDLAS气体传感系统的实现杨申昊，杨凌，王晓辰，赵韦静，李臻，王瑞涛（中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北邯郸056000）摘要：CO作为一种污染气体，无论是对人体，还是对环境，都有较大的危害，实时监测CO的浓度具有重要的现实意义。
选用CO在波数2190cm-1（波长4.56μm）处的吸收谱线，搭建了光程20cm的可调谐激光器气体传感系统。
系统采用FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）技术，实现了激光器驱动信号的生成、数字滤波、二次解调等功能，其中，驱动信号的生成采用了DDWS（Direct Digital Waveform Synthesizer，直接数字波形合成）的技术方式。
滤波与二次解调都采用数字信号处理的方式。
最后，采用标准浓度的CO气体进行了系统标定与测试，测试结果由于受到光程的限制，有时会存在较大的偏差，但为该仪器设备小型化、便携式的实现奠定了一定的技术基础。
关键词：可调谐半导体激光吸收光谱技术；短光程探测系统；二次解调；数字锁相中图分类号：O433.1文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2018.14.0461引言可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）作为一种重要的气体检测技术，具有无需预处理、选择性强、响应速度快、高灵敏度和高精度等特点，已被广泛应用于气体监测研究中。
Tu等[1]选用CO位于1579.73nm处的吸收谱线，对汽车尾气中的CO进行了连续监测。
中科院安徽光学精密机械研究所[4]采用700m光程对大气环境中痕量CO气体进行了多天连续监测，它采用直接吸收的方式，实现了低功耗的测量。
合肥工业大学[5]采用CO的第二泛频吸收带，通过对吸收池的结构设计，实现多次反射，总光程达到22m，并通过浓度反演算法达到了9.5×10-6的检测下限。
基于TDLAS技术的在线多组分气体浓度检测系统
基于TDLAS技术的在线多组分气体浓度检测系统
孙灵芳;于洪
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2017(000)003
【摘要】为了提高环境气体监测精度,降低设备维护成本需求,设计了一种多组分气体同时或近同时在线检测系统.该系统基于TDLAS技术采用DFB可调谐激光测量气体浓度,能够实现760 nm O2和2 326 nm CO混合气体同时在线监测.设计发射单元、接收单元等模块,分析TDLAS可调谐激光检测、PID温度控制、锁相检测原理.结合火电厂烟道氧量浓度测试,对系统进行了验证.实验结果表明:与传统的工业气体测量装置相比,该系统能获得更高的精度、更快的响应速度以及良好的稳定性,适应恶劣环境能力强,具有较好的实用性及可行性.
【总页数】5页(P73-77)
【作者】孙灵芳;于洪
【作者单位】东北电力大学自动化工程学院,吉林吉林 132012;东北电力大学节能与测控技术研究中心,吉林吉林 132012;东北电力大学自动化工程学院,吉林吉林132012
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
【相关文献】
1.基于TDLAS烟道气在线检测系统的降噪技术 [J], 杜磊;汪曣
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3.基于TDLAS技术的HCl气体浓度在线监测分析仪的研制 [J], 黄文平
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中科院半导体所科技成果——基于TDLAS技术的气体
传感器
项目成熟阶段生长期
项目来源公益行业（气象）专项资金
成果简介基于可调谐二极管激光器吸收光谱技术（TDLAS）的气体传感器，是结合光电子学，光谱学，以及微弱信号处理等高新技术的气体传感器系统。
该设备与传统的气体传感器装置（电化学法，气象色谱法，吸附法）相比具有更高的灵敏度，更精确的测量数据，更快的响应速度，以及在线实时测量等特点。
通过内建程序及显示屏，可以实时显示当前的待测气体浓度，以及各测量量随时间变化的曲线。
标准的RS232通信接口可以方便的向上位机传输实时测量数据。
通过光纤和电缆的延伸，可以进行远端在
线测试。
通过可更换的气室选择，完成不同环境下的测试任务。
并且我们可以根据客户的要求进行定制气体（H2O、NO、CH4、HF）的测试。
技术特点
基于可调谐二极管激光吸收光谱技术，通过向待测气体发射特定波长的激光，并对穿过气体的激光信号进行解调，分析气体的组分和浓度。
利用光吸收技术进行气体浓度测试，不会对气体组分造成影响，并且响应速度很快，可以进行实时监测及数据采集。
通过延长的光纤和电缆，可以将传感器深入到人身无法达到的地方及环境，进行远程测试。
专利情况
多项专利技术申请中，其中已授权1项。
市场分析
根据我们目前的调研情况，目前能够很容易检测的气体包括H2O、NH3、NO、HF、HBr、HI、CH4，其中H2O和HF的检测灵敏度可以高达100个ppb，是目前同类型传感器中灵敏度最高的检测手段。
上述气体都是化工生产、气象监测、特种气体测量（如SF6中的水汽测量、矿井的瓦斯监测等），因此该类传感器具有非常广阔的应用前景。
另外，目前国家在环境监控非常重视，其中一些危险气体的检测缺乏体积小、灵敏度高、响应时间快的传感器技术，因此该技术还能在国家安全和环境控制方面发挥重要的作用。
合作方式技术入股
产业化所需条件
企业提供厂房、基础建设、资金、可靠性试验设备、人员配合。