基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统研究
基于激光吸收光谱的多用途气体检测系统设计
基于激光吸收光谱的多用途气体检测系统设计常岐海【摘要】In order to be fit for the diversity of the external detection optical unit of the gas detection system based on the modulated semiconductor laser absorption spectrum method, a kind of single interface modulation semiconductor laser absorption spectrum for multi —purpose gas experimental test system is construted with electric interface and optical interface as hardware parameters. And the software system is developed by LabWindows. Data transfer method in data acquisition and processing thread used the structure of pointer to pointer and optimized the thread safe queue, and a multithreaded thread implementation structure is given detailedly. Through analyzing and summarizing the signal processing algorithms, the designed software could select signal processing algorithm according to the external optical unit.%针对基于调制半导体激光吸收光谱方法的气体检测系统外接检测光学单元的多样性,以电接口及光学接口作为硬件指标,结合光学检测单元对应的处理算法,构建一种接口单一的调制半导体激光吸收光谱多用途气体实验测试系统.该测试系统使用LabWindows软件开发环境开发,在数据采集处理线程中提出使用指针的指针在线程安全队列中进行优化的数据结构传递方法,并详细给出一种多线程采集处理的线程执行结构.通过对已有信号处理算法的详细分析和总结,设计的系统软件根据外接光学单元进行适用算法选择.【期刊名称】《中国测试》【年(卷),期】2013(039)001【总页数】4页(P93-96)【关键词】半导体激光吸收光谱;算法;LabWindows软件;多线程;线程安全队列【作者】常岐海【作者单位】西藏民族学院,陕西威阳712082【正文语种】中文【中图分类】TN241;O657.38;TP274+.2;TQ116.020 引言基于调制半导体激光吸收光谱（tunable diode laser absorption spectrum，TDLAS）方法的气体检测技术，相对于传统半导体、化学等传感器，具有选择性好、响应迅速和灵敏度高等特点，成为气体检测技术的主要研究发展方向之一。
红外光谱技术在气体检测分析中的应用
红外光谱技术在气体检测分析中的应用气体灾害对人类和自然的危害日益加重，由于气体的物化特性，常规的探测手段很难高效的实现气体检测的目的，红外高光谱遥感探测手段能够反映场景内的温度信息和光谱信息，是灾害气体检测最有效的手段之一，具有极高的军事和民用价值。
本文以研究气体红外高光谱数据的特点为出发点，实现气体红外高光谱数据的建模与检测，为构建灾害气体的监测体系提供帮助和指导。
标签：红外光谱技术;气体检测分析;特征频率引言：灾害气体在环境中会带有独特的温度特征和光谱特征。
利用红外高光谱探测手段能够有效的利用气体的温度信息和光谱信息，从而对气体进行甄别和检测。
传统的高光谱一般指可见光近红外波段，传统高光谱是对地物目标的反射率信息进行分析，以达到相应的检测目的。
而红外高光谱探测手段是利用对远红外波段的辐射能量进行相应的检测分析，这部分信息主要利用的是目标的辐射信息（温度信息）。
从成像机理上，传统的高光谱和红外波段的高光谱有所不同，所以，研究这两者在成像模型、信号模型、检测模型的异同之处有十分重要的研究意义。
另外，软件和硬件的发展是相辅相成的，红外传感器的发展，伴随着红外遥感相关技术的研究。
目前红外高光谱传感器技术壁垒比较大，红外高光谱数据获取比较难，但红外高光谱数据的应用具有极大的意义和价值。
所以研究气体的红外高光谱数据仿真具有十分重要的意义，对气体以及其他目标物体的红外高光谱辐射特性分析与特征提取具有十分重大的指导意义。
一、红外光谱吸收原理众所周知，光是由许多单一颜色的光组成的，由此可知，红外光是由许多处于红外频率以外的光组成的。
每种气体都具有一种性质：可以吸收对应频率的红外光能量，气体吸收红外光能量中频率最高的被称为气体的特征吸收频率。
当光线穿透气体时，气体吸收特征频率谱线光，导致光的能量下降。
研究表明，每种气体在红外辐射波段都有不同数目的特征吸收谱线。
由于特征频率是由一定频率范围内的光组成的，因此特征吸收频率具有一定的带宽，并且带宽中每个频率被吸收的量不尽相同。
基于红外吸收光谱法的水汽检测研究与实现
独创性(或创新性)声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得桂林电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
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本人签名：日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解桂林电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属桂林电子科技大学。
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(保密的论文在解密后遵守此规定)本学位论文属于保密在____年解密后适用本授权书。
本人签名：日期：导师签名：日期：摘 要在众多气体检测方法中，红外气体检测法以其高灵敏度﹑高选择性的特点得到了广泛地应用。
尤其是具有低噪声﹑易调制等优点的半导体激光器光源的出现，进一步提高了红外气体检测法的灵敏度和精度。
鉴于此，本文基于红外吸收光谱法研制了一套水汽检测系统。
本文基于水汽的近红外吸收光谱，研究了近红外吸收光谱法测量的基本原理和方法。
测量的基础为Lamber-Beer定律，在此基础上利用HITRAN数据库选择了水汽在近红外波段的三个波长（一个吸收峰，两个参考波长），采用三波段式方法，更好地消除了测量误差。
选用分布反馈半导体激光器（DFB-LD）作为光源，利用锁相放大技术检测信号，研制了一套水汽浓度检测系统。
该系统主要有光学系统单元﹑激光驱动电路单元﹑光电信号调理电路单元﹑光电信号采集与处理电路单元﹑显示电路单元组成。
系统采用TMS320F2812型号DSP作为核心处理器。
基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置及方法
基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置及方法1. 引言1.1 背景近年来，随着工业化进程的加快和人们环境意识的增强，气体污染成为了一个全球性的问题。
气体检测技术因此得到了广泛关注与研究。
其中，调制吸收光谱是一种常用的气体检测方法，它通过分析被待测气体物质吸收光谱特征的变化来实现定量或定性检测。
1.2 研究意义传统的调制吸收技术采用单色光源，由于其发射窄带、能量低等特点，导致了检测效率低、信号噪声比低以及仪器复杂等问题。
而近年来，宽带红外光源技术的出现为解决这些问题带来了新的机遇。
基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置将能够提高检测灵敏度和精确度，并且具备更广泛的应用范围。
1.3 研究方法本文旨在探索基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置及方法。
首先，我们将分析并选择合适的光源进行设计，并介绍调制吸收技术原理。
然后，我们将详细描述检测装置的组成和工作原理。
接下来，我们将探讨该方法相比传统方法的优势，并通过实际应用案例分析以及行业前景展望来展示其应用前景。
进一步地，我们将进行实验验证与结果分析，并提出改进措施。
最后，我们将总结研究成果及启示意义，并提出论文不足之处以及未来研究方向建议。
通过本文的深入研究和分析，我们有望为气体检测领域的发展做出新的贡献，并为解决环境污染问题提供有效手段。
2. 基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置2.1 光源选择与设计在基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置中，选择合适的光源是至关重要的。
在这里，我们选取了一种宽带红外辐射光源作为激发光源。
该红外辐射光源具有下述特点：- 宽波段：能够提供连续且均匀分布于整个红外区域（通常是1~5 μm范围）内的辐射能量；- 高功率：能够提供足够高的输出功率，以满足强烈检测信号的需求；- 稳定性：表现出稳定的输出特性，可长时间工作而不会产生剧烈波动。
针对这些要求，我们设计了一套基于硅基技术的宽带红外辐射光源。
该光源采用了片上银金属微反射膜和掺杂硅小型发行系统，以实现高效辐射能量输出。
红外吸收光谱法在气体检测中的应用
based on Lambert-Beer law and differential absorption are stated in detail. A portable infrared methane monitor has been designed, by which the structure of the gas monitor is also introduced.
参考文献：
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红外气体分析测试技术
红外气体分析测试技术红外气体分析测试技术的原理是基于物质的分子结构与红外光的相互作用。
在分子的振动和转动过程中，会吸收红外光的特定频率，产生独特的红外吸收光谱。
不同分子的结构和化学键会导致它们的红外光谱有所不同，因此可以通过分析样品的红外光谱来确定其中所含的气体成分和浓度。
红外气体分析测试技术通常采用红外光源（例如红外线灯）作为光源，通过透过样品后被吸收的红外光，将样品与基准气体进行比较，得出目标气体浓度的结果。
常用的红外气体分析仪器有红外光谱仪、红外光谱气体分析仪、红外传感器等。
红外气体分析测试技术具有非常高的灵敏度和特异性，可以检测到很低浓度的气体，甚至在ppb（亿分之一）或ppm（百万分之一）级别下也能得到准确的结果。
它可以检测多种气体，包括有机物、无机化合物和常见工业气体等。
红外气体分析测试技术在环境监测方面有着广泛的应用，可以用于检测大气中的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等污染物的浓度，有助于监测大气质量和气候变化。
在工业生产中，它可以用于监测工业废气的排放，以防止和控制环境污染。
在化学分析中，红外气体分析技术可以用于测定有机物的含量和结构，有助于确定化学反应的进行和产品的质量。
此外，红外气体分析技术还常用于疾病诊断，例如通过呼气中的特定挥发性气体来检测肺部疾病和消化系统疾病等。
红外气体分析测试技术的发展还面临着一些挑战和机遇。
一方面，红外光谱的分辨率和信噪比等性能需要进一步提高，以提高测量的准确性和灵敏度。
另一方面，随着红外光谱技术的快速发展，不断出现新的仪器和传感器，为红外气体分析测试技术的应用提供了更多的可能性。
总之，红外气体分析测试技术是一种非常重要和有前景的气体分析方法，具有广泛的应用领域和潜力。
随着仪器技术的不断进步和红外光谱知识的丰富，红外气体分析测试技术将在环境监测、工业生产、化学分析和医学诊断等领域发挥越来越重要的作用。
红外光谱技术在气体检测中的应用
Ａ ｐｐｌｃ ｔ ｏ ｆ Ｉ ｒ ｒ ｄ Ｓｐｅ ｔ ｏ ｃ ｐｙ ｉ Ｇ ａ ｎ ｉ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ｎｆ ａ ｅ ｃ ｒ ｓ ｏ ｎ ｓ Ｓｅ ｓ ｎｇ
Ｌ Ｌ ． ＨＡＮ ｕ Ｓ ｌ ｉＺ Ｇ Ｙ ． ＯＮＧ Ｚ ｅ ・ ｕ Ａ ｕ ｐ ｎ ． Ｏ Ｆ ｎ ． ＡＮＧ Ｙｉ ｉｇ ｈ ｎ ｙ ． Ｎ Ｙ ・ ｅ ｇ ＣＡ ｅ ｇ Ｗ ・ ｎ ｄ
田里 会释 放 出大量 的 甲烷 ，随着 世界 人 口的增
长， 对粮食 需求 的不 断增 加，甲烷 向大气 中的排
放 量 有逐 年上 升 的趋 势 ，这就 加 剧 了全球 气 候
尤其在煤 矿矿 井作业 中，瓦斯 气体 （ 主要 成分是 甲烷） 过最 低爆 炸 限 （Ｅ 超 Ｌ Ｌ， ５ ） ，会 导致 ％ 时
李 黎 ，张 宇，宋 振 宇，安 宇鹏 ，曹 峰 ，王 一 丁
（ 成 光 电子 学 国家 重 点联 合 实 验 室 吉 林大 学 实验 区，吉 林大 学 电子 科 学 与工 程学 院 ，吉 林 长 春 １０ １） 集 ３０ ２
摘
要： 根据 气体在 红外 光谱 区 的吸收，可 以采用 红外光谱 来检 测气体 的浓度。本 文介
矿井爆炸 ， Ｃ 而 Ｏ浓度 的不 断增加则是煤 矿井 下
变 暖现 象 【 。因此 研制 高精度 、高灵 敏度 和 高 稳定性 的在 线 甲烷 、 氧化碳 气体传感 器 ， 于 一 对 许 多应用领 域来说 都是 十分迫 切 的事情 。
ｓ ｃ ｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｅ ｄ ｓ ｒｂ ｄ ｂ ａ ｎ ｈ ｅ ｈ ｎ ｎ ａ ｂ ｎ ｍ ｏ ｏ ｘ ｄ ｘ ｍ ｐ ｅ ．Ｆｉ ａ ｌ ，ｓ ｖ ｒ ｌ ｐｅ ｔ ｏ ｃ ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｅ ｙ ｔ ｋｉ ｇ ｔ ｅ ｍ ｔ ａ ｅ ａ ｄ ｃ ｒ ｏ ｎ ｏ ｉｅ ａ ｅ ａ ｓ ｌｓ ｎ ｌ ｙ ｅ ｅ ａ ｓ ｓ ｅ ｏ ａ ｅ ｓｎ ｒ ｒ ｓ ｎ ｅ ． ｙ ｔ ｍｓ ｆ ｒ ｇ ｓ ｎ ｉ ｇ ａ ｅ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ ｓ
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。
基于红外吸收光谱的甲醛气体浓度检测
基于红外吸收光谱的甲醛气体浓度检测作者：秦敏张学典常敏来源：《光学仪器》2017年第03期摘要：针对传统甲醛气体检测的不足，基于红外光谱吸收原理，采用差分吸收技术设计了甲醛气体浓度探测系统。
该方法对检测的甲醛气体光谱值以及供电电压进行模数转换，通过光学检测系统对甲醛气体浓度进行检测，利用虚拟仪器LabVIEW软件实现数据采集、数据处理及数据存储与回放等功能。
具有操作简单，界面直观，人机友好的特点，能对室内甲醛气体浓度进行实时检测。
关键词：光谱； LabVIEW；室内甲醛；气体检测中图分类号： X 83 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.03.002Detection technology of formaldehyde gas concentration based oninfrared absorption spectroscopyQIN Min， ZHANG Xuedian， CHANG Min（School of OpticalElectrical and Computer Engineering， Univeristy of Shanghaifor Science and Technology， Shanghai 200093， China）Abstract： In view of the deficiency of traditional formaldehyde gas detection，the concentration of formaldehyde gas was detected by the differential absorption technique based on infrared spectrum absorption principle.The method is to realize analogtodigital conversion of formaldehyde gas spectral value and supply voltage.The optical detection system is to detect the concentration of formaldehyde gas，using the virtual instrument software LabVIEW to realize data acquisition，data processing，data storage and review function.It achieves the realtime monitoring of indoor formaldehyde gas concentration.Keywords： spectrum； LabVIEW； indoor formaldehyde； gas detection引言随着人们对生活质量越来越高的追求，室内装修已经发展到相当成熟的阶段。
基于红外吸收光谱的瓦斯气体浓度检测技术
根据 朗伯一Ｌ ｛Ｌ ｍｂ ｒ Ｂ ｅ） Ｌ￣ （ ａ ｅｔ ｅｒ定律 。 假定气 体分子在 － ｇ，
波 长 ｜处存 在 吸 收峰 ，则 有 ＝ 【
（ ）一 Ｊ （ ） ‘ ｎ ｅａ （） １
甲烷分子 具有 四种 固有 的振动 方 式 ， 应产 牛 四个 基 相 频 ， 长 分 别 为 ３ ４ ３ ． ２ ，３ ３ ２和 ７６ ８ ｍＬ 。在 近 波 ． ３ ，６ ５ ２ ． １ ． ５ ８
ｍ处的波 长检测瓦斯 气体浓度 。其光谱图如图 １ 所示 。
爆炸事故频繁发生 ， 因此 ， 实时准确地 检测瓦斯气体 浓度对
煤矿安全生产和保护人 民生命财产安全有重要的社会和经济
意义 。
矿 井 瓦 斯 主要 足 煤 层 气 构 成 的 以 甲 烷 为 主 的 有 害 气 体 ， 容 易 引发 爆 炸 和 人 员 窄 息死 亡 等 事 故 。国外 对 高 瓦 斯 矿 井 一 般 采 取 关 停 措 施 ， 我 国对 煤 炭 依 赖 严 重 ， 煤 矿 管 理 上 尚 而 在 有 许 多不 完 善 之 处 。 现 有 的 瓦 斯 浓 度 检 测 手 段 Ｉ ，普 遍 采 在 ｝ Ｊ
１ ６ ｍ 附近 ， ． ７ｐ ｔ 郁有较强的吸收。通过 ＨＩ Ａ ＴＲ Ｎ数据库可 以
收稿 日期 ：２ １ ５１ 。修 订 日期 ：２ １ ８２ ０ ００—０ ０００ ５ 基金项 目：国家自然科学基金项 目（０ ７ １ ４ 和南通大学 自然科学研究项 目（６ ｏ ５ 资助 １９４０） ｏｚｏ ） 作 者 简 介 ：罗达 峰 ，１ ８ 生 ， 通 人 学 理 学 院 讲 师 ９０印 南 ｅｍａｌ ｕ ｄｏ ＠ 】 ６ｃｍ － ｉ ｏ ｆｋ ２ ．ｏ ：ｌ
红 外 ， 许 多 泛 频带 和组 合 带 。例如 ，甲烷 气 体 在 １ ３ 有 ． ３和
基于红外光声光谱的气体检测系统设计
基于红外光声光谱的气体检测系统设计钱旭;程明霄;王雪花;赵天琦【摘要】随着工业现代化的发展,环境变化日益复杂,而人民的环境健康意识也在不断提高.在这种情况下,传统的气体检测系统已不能满足要求,有待开发一种高灵敏度、高分辨率的新型实时气体检测系统.从气体分子红外光谱理论出发,在对当前各种气体检测方法进行分析比较的基础上,设计了一种基于光声光谱技术的气体检测系统.实验证明:该系统可有效进行CO2气体检测.【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2014(033)012【总页数】4页(P98-100,103)【关键词】气体检测;高灵敏度;高分辨率;光声光谱【作者】钱旭;程明霄;王雪花;赵天琦【作者单位】南京工业大学自动化与电气工程学院,江苏南京210009;南京工业大学自动化与电气工程学院,江苏南京210009;南京工业大学自动化与电气工程学院,江苏南京210009;南京灼徽检测技术有限公司,江苏南京210009【正文语种】中文【中图分类】TP23气体探测技术在人类活动的各个方面都发挥着极为重要的作用[1]。
大气中某些微量气体过量时，会导致温室效应、酸雨、毒雾、臭氧层空洞等现象[2]，严重影响人类赖以生存的环境。
近年来，随着人们环境健康意识的提高和环境变化的复杂性，传统上使用的气体探测系统已不能满足要求，有待开发性能更高的新型气体探测系统。
按照工作原理的不同，气体检测方法可分为非光学分析法与光学分析法[3]。
本文设计了一种基于红外光声光谱(PAS)的气体检测系统，实验结果表明：该系统可有效进行CO2气体的检测。
PAS技术是一种理想的无背景噪声信号技术[4]，具有较高灵敏度和良好选择性。
与传统光谱分析方法不同，PAS技术是监测物体吸收光能后产生的热能中以声压形式表现出来的那部分能量，即使在高反射弱吸收的情况下，吸收能也可被微音器检测。
与其它气体检测方法相比较，PAS技术的主要优点是：长期稳定性好,灵敏度高；不消耗气样，如载气、标气；检测时间短，便于现场检测，适于多种气体成分的检测，系统结构简单。
基于光谱吸收的气体检测技术在煤矿中的应用_于庆
3 红外光谱吸收检测技术在煤矿中的应用
3. 1 红外检测系统的组成及原理 随着红外光谱吸收检测技术的不断发展，至 20
世纪末，出现了一种利用滤光片实现非色散红外光 谱吸收检测技术，基于差分吸收方式实现，以此实现 了测量仪器的小型化和低功耗、低成本，并在煤矿瓦 斯监测领域得到逐步推广应用。
文章编号： 1008－4495（ 2012） 03－0026－04
我国是世界上产煤大国，同时也是煤矿安全生 产形势最为严峻的国家之一。在煤矿的突出防治工 作中，CH4 、CO2 是主要的监测对象。为了预防与控 制事故的发生，最大限度地减少人员伤亡事故，在线 实时准确检测 CH4 、CO2 浓度已成为客观需求。按 照《国家中长期科学和技术发展规划纲要 （ 2006— 2020 年） 》的要求，针对气体传感器及检测装置在工 业现场使用中所存在的问题，需要相关技术人员在 新技术、新原理上进行攻关，以满足气体传感器及检 测装置的环境适应性、稳定性要求。随着光谱吸收 技术的发展，非色散红外光谱吸收技术（ NDIR） 和半 导体激光光谱吸收技术（ DLAS） 在气体检测方面的 优势日益显现出来［1］。笔者根据光谱吸收技术的原 理，具体研究分析了红外和激光气体检测技术的实 现和发展趋势。
1 气体检测技术的现状
目前，国内外用于煤矿井下的 CH4 检测技术有 载体催化、热导、光干涉、红外等。在煤矿瓦斯监控 系统中使用的低浓度甲烷传感器（ 0 ～ 4% CH4 ） 和高 浓度甲烷传感器（ 0 ～ 40% CH4 ） 主要是采用载体催 化技术和热导原理。载体催化技术存在硫化物中毒 现象、检测范围窄、调校周期短等缺点； 热导技术存 在测量精度不高、受环境温度影响大、不易补偿等缺 点［2］。光干涉 仪 利 用 光 的 干 涉 现 象 来 测 量 瓦 斯 浓 度，由于干涉系统设计复杂，且将干涉光谱转换成电 信号技术难度较高，不易实现小型化和在线监测； 另
红外(ndir)气体检测原理
红外(ndir)气体检测原理红外（NDIR）气体检测原理引言红外（NDIR）气体检测是一种常用的气体检测技术，它利用红外吸收的特性来测量气体浓度。
本文将介绍红外（NDIR）气体检测的原理及其工作过程。
一、红外吸收原理红外吸收原理是指在特定波长的红外光照射下，气体分子会吸收特定的红外光，并产生光谱吸收峰。
不同气体分子在红外光谱上有不同的吸收特性，这使得红外（NDIR）气体检测成为一种可靠的气体浓度测量方法。
二、红外（NDIR）气体检测工作原理红外（NDIR）气体检测仪器主要由光源、传感器、光学系统和信号处理器组成。
其工作原理如下：1. 光源发射：红外（NDIR）气体检测仪器中的光源会发射特定波长的红外光。
2. 光学系统：红外光通过光学系统进入气体测量室，其中包括光源透过窗口进入，经过气体测量室后，透过窗口离开。
3. 气体测量室：气体测量室是红外（NDIR）气体检测的核心部分。
气体进入测量室后与红外光发生相互作用，其中吸收特定波长的红外光的气体分子会吸收光能，而不吸收的气体分子则通过测量室。
4. 传感器接收：测量室外的传感器会接收透过测量室的红外光，并将其转换为电信号。
5. 信号处理：接收到的电信号将被信号处理器处理，通过校准和计算，最终得到气体浓度的读数。
三、红外（NDIR）气体检测的优势红外（NDIR）气体检测具有以下优势：1. 高灵敏度：红外光谱吸收峰较为明显，使得红外（NDIR）气体检测仪器能够对气体浓度进行精确测量。
2. 高选择性：不同气体分子在红外光谱上的吸收特性不同，使得红外（NDIR）气体检测仪器能够对多种气体进行同时检测。
3. 高稳定性：红外（NDIR）气体检测仪器采用了高质量的光学元件和传感器，具有较高的稳定性和可靠性。
4. 宽动态范围：红外（NDIR）气体检测仪器能够适应不同浓度范围的气体检测需求。
四、应用领域红外（NDIR）气体检测技术广泛应用于以下领域：1. 工业安全：红外（NDIR）气体检测可以用于工业环境中有害气体的监测，如燃气、有机溶剂等。
基于红外热辐射光源的光声气体分析仪
２ 系统构成
硬 件系统的结构 如图 １ 示。由气体采 集模 块 、气体检 所
收 稿 日期 ：２０ —２２ 。 订 日期 ：２ ０ ３２ ０ ５１ —１ 修 ０ ６０ —８ 基 金 项 目 ：国 家 自然 科 学 基 金 项 目（ ０ ７ ０ ０ 资 助 ６６７１）
作者简介 ：张
望，１ ７ ９ ９年生 ， 大连理工大学物理系博士研究 生
维普资讯
第２卷 ， ３ ７ 第 期
２００ ７年 ３月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃ ｒ ｌＡｎ ｌｓｓ ｐ ｃ ｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔａ ａ ｙ ｉ
Ｖｏ ． ７ Ｎ ． ， ｐ １ — １ １２ ， ｏ ３ ｐ ６ ４６ ８ Ｍ ａｃ ｒ ｈ，２ ０ ０７
１ 检测原理
近 、中红外波段 的激励光束经强度调制后 入射至光声池
内， 光声池 内被测气体分子 吸收光辐射从分子 振动基态跃迁 至振动激发态 ， 随后通过快速 的弛豫过程 以非 辐射方式 回到 基态 ， 将分子 的振 动能转化为平 动能 ， 而引起气 体气压升 从 高 。当激励光束 强度 被 以声频 （ 十赫 兹到 几千 赫兹 ） 几 调制 时， 气压便 以同样 的频率被调制而形 成声波 ，这一声 波可 以 通 过安装在 光声 池上的麦克风 检测 ， 转换成电信号 。
声 信号 的振 幅与激励光 的光强 和光谱特性 、 光声 池结构 以及 光 的调制频率等诸多 因素有关 。
应用， 使得基于红外热辐射光源的气体光声光 谱检测灵敏度 的大幅度提 高成 为可能 。本文报道 了我们近期 研制的基于 红
外热辐射光源的光声气体 分析 仪的设计 原理 、系统构成 以及 讨 Ｃ ０，Ｎ 和 Ｈｚ Ｏ Ｓ气体的测 试实验结 果 。
基于激光吸收光谱乙炔在线监测技术的研究
收 稿 日期 ：２ ０－７０ 。 订 日期 ： ０ ７１－８ ０ ７ —６ 修 ０ ２ ０ —０ ０ 基金项 目：中国科学 院知识创新重要方 向性项 目（ Ｊ Ｘ 一ｗ— ７ 和国家 自然科学基金重点项 目（０ ３ ００ 资助 Ｋ Ｃ ２ｓ ｗ２ ） ５５４５）
作者简介：何
莹，女 ，１８ ９３年生 ，中国科学院安徽 光学精密机械研究所硕 士研究生
定的不足 。可调谐半导体激 光吸收光谱 （ ｎ ｂｅｄｏ ｅｌ Ｔｕ ａｌ ｉｄ — ａ ｓｔ ｂｏｐｉｎｓｅｔ ｓｏ ｙ技 术利用可调谐半导体激光器窄 ｅ ｓｒｔ ｐｃｒ ｃｐ ） ａ ｏ ｏ
一
Ｊ （）： Ｉ（） ｌ — ｃ ］ ｏ Ｅ — （）Ｌ
（） ２）
展开为傅里叶级数 ， 得到二次谐波系数与激光光 强、气 体 吸 收 截 面 、气 体 浓 度 及光 程 成 正 比 ｌ ＿ ３ ］
其 中 Ｏ 吸 收线 中心 的 吸收 系 数 。 ＇ ｏ为
由 ＨＩ ＡＮ数据库可 以得到 乙炔 分子在 １５ ９ １５ １ ＴＲ ２ ３
ｎ＇ ｎ 波长范围 内的吸收特征光谱 ， 图 １所示 。 中 ６５ ４３ ｌ 如 其 ３ ． ６
ｃ ｍ 对应 １５ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ７ Ｉ 长处有一条最强的 乙炔吸收线 ， ３． ２ｎ ｎ波 其
许多气体分子（ Ｈ Ｃ Ｈｚ Ｃ ， ２ ，Ｈｚ ０，ＮＯ 等 ） ｚ 在红外 波段 都有特征吸收谱线 ， 根据（ ｅｒＬ ｍｂｒ） Ｂ ｅ－ａ ｅｔ定律 ，波长为 ，强 度为 Ｉ（）的光通过吸收光程为 Ｌ的充有待测 气体 的吸收池 ｏ
后 的光 强 ， 为 （）
烧、 分解和爆炸 ， 与其他 易燃易爆气 体相 比，乙炔具有 爆炸
摘
要
基于近红外波段激光光谱吸收的丙烷探测研究
引
言
运输、 储存、 消费等 在石油化工行业， 石油的生产、
收 光 谱 （ tunable diode laser absorption spectroscopy ， TDLAS） 技术采用可调谐半导体激光器， 在气体特征吸 收波段处进行波长扫描， 通过直接检测气体吸收前后 ［23 ］ 。 对于吸收强 的光强来求出气体体积分数的大小 度较弱的气体， 气体吸收前后的光强变化不明显， 直接 检测信噪比低， 则可采用波长调制和谐波检测技术 ， 通 过探测经气体吸收后产生的各次谐波信号和气体体积 分数的关系进行计算， 信噪比高， 能满足弱吸收气体的 高灵敏度探测要求， 是目前应用较为广泛的气体检测 ［45 ］ 。 技术之一 一般而言， 石油气挥发性气体成分复杂， 其中丙烷 ［6 ］ ， 等烷烃类有机化合物是主要成分 目前基于激光光 谱手段探测烷烃类气体主要应用于甲烷和乙烷
当激光器的输出波长对应着宽谱吸收峰中心波长 λ0 时， 通过（ 5 ） 式拟合得到的吸收系数线型， 再代入到 （ 3 ） 式、 （ 4 ） 式中， 可推导得到一次谐波信号幅度 F1 及 二次谐波信号幅度 F2 与气体体积分数 C 的关系： 珚 珔 F1 = I0 （ λ） ［ Q －P C］ （ 6） 珚－ 珚 W UC ］ （ 7） F2 = I0 （ λ） ［ F1 和 F2 与光功率 I0 （ λ ） 大小有关， 且都与丙烷气 体体积分数 C 成线性关系， 当系统的调制深度 A 和 a 一 Q= 定时， 对于丙烷在 1686nm 的中心波长处， 有常数项 珚
大小 拟合得到的 γ L 为宽谱吸收峰的半峰半宽， 式中， 为 0． 21nm， 中心波长 λ0 = 1686． 42nm， 对应的吸收系
－1 数大 小 α （ λ0 ） = 0． 117cm ，以 及 常 数 项 α0 =
基于红外传感器的气体检测系统的设计
图 １ 系统 的结构框 图
整个 系统 的工作过程 是 ： 传感器 检测到 待检测气 体
的输 出阻抗较大 ， 为提 高系统 的可靠性增 加了 电压跟 随 电路 ， ３为系统的 ４ ２ ｍＡ 工业标准 电流输 出电路。 图 ０ （ ） 键盘及显示 电路部分 ３
键盘 主要完成 传感器 的标定 及对显示 设置 ， 电路 采 （ 下转第 １ ４页） １
自 化技 与 用 ２１ 年 ９ 第５ 动 术 应 》 ００ 第２ 卷 期
体浓度 转换成两 者都 可 以接受 标准 的 ４ ２ ｍａ工业 信 ０
通过 ＭＳ ４ ０的 １ Ｐ ３ ２位的 ＡＤ转换 可对传感器信号 进 行精 确 的测 量 ，由于 传感 器 检测 输 出的 电压 信号 较 小， 所以需要通过放大 电路 与 ４ ０的 ＡＤ 连接 。图 ２为 ３
传感器 与 ４ ０的接 口电路 。 ３
过远距离 传输给 ＰＬＣ或 ＤＣ Ｓ系统 ， 通过控制系统显示 气 体浓 度 。
４ 检 测 系统 的硬 件 设计 ［ ３ ］
微控制器 采用 ＭＳ ４ ０ ， Ｐ ３ Ｐ ３ Ｆ １ ＭＳ ４ ０系列单片机 １ ６１
根据 Ｘ Ｒ１ １ Ｔ １ 的特点 ， 通过 ＭＳ ４ ０ Ｐ ３ 单片机的 Ｄ Ａ转 换产生的 电压来控 制 ＸＴ １ 电流输 出， Ｒ１ 的 １ 由于单片机
号 ， 现 气体 检 测和 其它 设 备 检 测集 中控 制 ， 便 管 实 方 理 。通过 不 同的气 体传 感器 可检 查环 境 中不 同气 体 的 气体含量 ， 实现对 气体含量 的实时监控 。 图 １为系统 的 结构 框 图 。
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基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统研究本论文课题来源于中国国家自然科学基金项目“新型红外瓦斯和一氧化碳检测仪的研究”、美国xx部项目“xxx”。
研究了基于红外激光吸收光谱技术的气体检测系统,采用了可调谐二极管激光吸收光谱技术和腔增强吸收光谱技术研制了四套气体检测系统,检测了甲烷、乙炔、水汽、甲醛等气体。
详细介绍了各检测系统的结构和原理,测试了系统的灵敏度、响应时间和稳定性等参数。
第一章引言部分介绍了甲烷、乙炔、甲醛等气体的应用和危害,监测这些气体的浓度对于安全生产和环境保护具有重要的意义。
介绍比较了几种常见的气体检测方法:电化学法,催化燃烧法,气相色谱法和红外吸收光谱法。
如红外吸收光谱法的优缺点:灵敏度高、响应速度快、寿命长、可以非接触式测量等,可以广泛应用于工农业生产、环境监测、医学诊疗和军事等领域。
介绍了红外气体检测技术的种类、国内外发展现状和趋势。
包括直接吸收光谱技术、光声光谱技术、腔衰荡光谱技术、腔增强吸收光谱技术和波长调制光谱技术等。
第二章是红外激光吸收光谱技术的理论部分:分子光谱理论和朗伯-比尔定律。
气体分子红外吸收光谱产生的原因是分子内部振动能级和转动能级的跃迁,不同种类的气体分子具有不同的吸收谱线位置和强度,气体分子的光谱特征确保了红外气体检测技术的选择性。
根据朗伯-比尔定律,待测气体分子对特定波长光强的吸收量与气体浓度有关。
第三章主要介绍了基于近红外分布反馈半导体激光器(DFB激光器)和可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的乙炔检测系统,详细介绍了系统结构及检测性能。
设计的电路部分包括高精度、高稳定性的DFB激光器驱动器,数字正交锁相放大器以及光电探测电路。
驱动器的温控模块采用积分分离式数字比例积分微分算法,温控过程快速平稳,长期工作波动为±0.01oC,长期稳定性高;设计的数字正交锁相放大器以数字处理器芯片为核心,硬件电路简单、体积小、便于集成。
比较了减法预处理电路和除法预处理电路两种信号处理方式,通过实验发现,采用除法预处理电路时,系统具有较低的检测下限。
当积分时间为1 s时,阿伦方差为15.8 ppm~2,系统的检测下限为3.97 ppm;积分时间增加到68s时检测下限进一步降低为540 ppb。
第四章介绍了基于近红外DFB激光器和空芯带隙光子晶体光纤的甲烷检测系统,空芯带隙光子晶体光纤拥有很多特性,它内部的空芯不仅可以传导光,而且可以充满气体作为气室,这样大大简化了检测系统结构。
根据阿伦方差分析,当积分时间为10 s时,该系统的检测下限可达1.4 ppm。
第五章介绍了基于DFB激光器和腔增强吸收光谱技术的水汽检测系统。
系统采用了设计的腔长为20 cm的谐振腔,有效光程达到了50 m。
系统通过调制激光器温度来实现波长扫描,采用电光调制器调制激光频率,通过PDH技术锁定激光器频率;采用重复间断PDH(Pound-Drever-Hall)锁定技术,在一个波长扫描范围内激光与谐振腔进行多次锁定,通过测量腔透射光强的变化可以得出气体吸收谱线。
第六章介绍了基于中红外带间级联激光器和腔增强吸收光谱技术的甲醛检测系统。
该系统与水汽检测系统不同的是采用了射频电调制技术调制激光相位,简化了系统结构,节省了系统成本。
系统采用连续PID锁定技术将带间级联激光器锁定至腔长为2 cm的微型谐振腔,通过探测透射光光强实现了对甲醛气体的检测。
腔增强吸收光谱技术可以通过小体积的谐振腔实现长达数千米的有效吸收路径,在痕量气体检测方面有广阔的应用前景。
本文的创新点如下:1.基于分布反馈(DFB)激光器和可调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术的乙炔检测系统中电路部分为自主设计研发,实现了对激光器温度的稳定控制、对激光器工作电流的调谐以及光电信号的检测和处理,可以方便地进行集成。
系统采用除法电路消除了剩余幅度调制的影响,提高了检测灵敏度。
系统中采用的光纤传感探头结构简单稳定,使该系统有进行远程、分布式气体检测的潜力。
2.基于空芯带隙光子晶体光纤的红外检测系统无需气体反应池,可以组成全光纤式传感光路,可以以很小的体积得到很长的有效吸收路径,这在不增加系统复杂性的前提下提高了灵敏度。
3.在基于DFB激光器和腔增强吸收光谱技术的水汽检测系统中,采用了PDH(Pound-Drever-Hall)间断锁定技术,与连续锁定技术相比,该技术波长扫描范围不受谐振腔长的限制,可以获得更大波长扫描范围内的气体吸收谱。
4.在基于带间级联激光器(ICL)和腔增强吸收光谱技术的甲醛检测系统中,采用了射频电调制PDH锁定技术,实现了ICL激光器与谐振腔的锁定。
与传统的光调制PDH锁定技术相比省去了昂贵的电光调制器,系统结构更加简单,
成本低廉,且体积小便于集成。
系统中采用了设计的腔长为2 cm的小型谐振腔,有效吸收光程达到了20 m,系统检测下限达到了ppb级别。