激光分析仪技术原理

按激光的传输方式
光纤式 非光纤式
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按测量气体
测量O2 76X nm 波段（可见光） 测量CO，CO2 15XX nm 波段 测量HCL 17XXnm 波段 测量CH4 16XXnm 波段 测量H20 近红外
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DLAS技术难点
• 激光器和谱线的选择；
• 温度，压力展宽的补偿；
0.20
R7Q8
R7R7
(13142.584 cm-1)
(13140.568 cm-1)
0.15
0.10
0.05
0.00
-0.05
-0.10
0
2
4
6
8 10 12 14 16
Time [ms]
测量气体的温度、压 力等环境参数影响气体 吸收谱线展宽 通过展宽补偿技术可 进行精确补偿： 单线光谱数据 针对测量工艺的展宽 补偿
发射单元
接收单元
过程气体
半导体激光 驱动电路
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数据分析 及控制
中央分析仪器元
数据采集
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原位分析 VS 采样分析
采样分析
获得样本 预处理 分 析
众多缺点：
• 系统复杂、故障率高 • 探头腐蚀、堵塞 • 长时间滞后 • 经常性的标定
原位分析
现场直接分析过程气体 针对测量工艺的定制化开
透过率曲线
T (v)
ln( I ) ln( I )d
X
I0
I0
(1.2)
PSL
PSL
v0
v
关键因素Ｘ＝F(Absorbance,T,P,L)
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公式说明
• 在波长一定的情况下，S线强由两方面因 素决定：
① 分子跃迁上，下能级的波函数 —由分子结构等性质决定
– 与传统吸收光谱相似，基于受激吸收效应并遵循Beer – Lambert公式
– 采用半导体激光器为光源，并可采用调制吸收光谱技术（ TDLAS）
• 发展历史：
– 上世纪六十年代，激光器发明
– 上世纪七、八十年代，激光吸收光谱技术逐步应用于科学实验的精密测量
– 上世纪九十年代，半导体激光器和光纤元件大规模商用化
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调制光谱技术
半导体激光器调制特性
电流波长调谐技术 抗粉尘测量 相敏检测技术 提高探测灵敏度
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2f trace [a.u.]
环境因素修正
0.25 Increasing pressure (P = 3.4, 4.8, 6.3, 7.6, 8.9, 10.5 bar)
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技术比较-传统光谱技术
指标 预处理系 统 测量方式 气体环境
响应速度
准确性
连续性 可靠性 介质干扰 尾气排放 标定维护
运行费用
LGA-2000激光现场在线气体分析仪
传统光谱在线气体分析仪
来自百度文库
不需要
必需
现场、连续、实时测量
采样预处理后间断测量
高温、高粉尘、高水分、高流速、强腐蚀等恶 劣环境适应能力强
间断测量：反吹时无法测量
较多运动部件，可靠性低
不受背景气体交叉干扰；自动修正粉尘及光学 受背景气体的交叉干扰，无法定量修正粉尘及光学
视窗污染干扰
视窗污染干扰
无，安全无污染
有，危险有污染
标定：<2次/年； 维护：<2次/年，系统自动提示
标定：2~3次/月； 维护：经常
运行费用接近于零（仅为电费）
年费用一般为系统成本的20%左右
CO 3v (1.55 m)
2000
4000
6000
Frequency
[cm-1]
8000
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5x10-6
10 ppm CO @1atm, 300K
4
3
2
1
10000
0
4200
4240
4280
Frequency [cm-1]
4320 5
浓度测量公式
测量基本公式
吸收率absorbance
激光
波长
范围
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小结
• 基于吸收光谱技术，直接测量的是吸收 率
• 浓度测量值和四个因素相关：吸收率、 温度、压力、光程
• 光源是用半导体激光： 波段窄，可调制
• 技术上的特点决定了安装测量方式：原 位测量
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原位分析
L
– 上世纪九十年代，欧美国家开始DLAS技术产业化研究
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DLAS技术
• 使用半导体激光器作为光源
– 单色性好，即光的波长宽度窄。<0.0001nm ，传统红外光源一般在20-30nm左右
– 可调制扫描
• 绝大部分光属于红外区域，
– 波长范围750-2000nm左右。
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技术比较
• 与常规的气体检测方法相比
– 热导式：利用气体（主要是H2）导热特性进行 监测
– 磁氧表：是利用氧顺磁性 – 氧化锆：利用氧浓度差电池效应；－>（其他
的电化学方法） – 气相色谱：利用色谱柱进行分离，进行分析
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半导体激光器
按激光器类型
端面发射激光器（DFB, DBR） 垂直腔表面发射激光器 (VCSEL）
• 弱信号检测技术（吸收率探测下限 ）
• 不同应用工况的解决方案；
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DLAS技术原理培训
市场部-许鹏
产品基本情况
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吸收光谱技术
吸收光谱技术 半导体激光吸收光谱（DLAS）技术
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吸收光谱技术
能级的概念
E2 - E1 = hn
光子
分子能量表现
E2
能级跃迁
E1
旋转
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振动
电子跃迁
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分子光谱
每两个能级对应一根吸收谱线 在低分辨率光谱上表现为谱带
Linestrength [atm-1cm-2] Absorbance [cm-1]
100
CO2
10-5
100 10-2 10-4 1100-62 100 1v (4.6 m) 10-2 10-4
H2O
R branch 2v (2.3m)
7880
传统光源波长宽度
7890
7900
Frequency (cm-1)
7910
60
50
激光器波长宽度
40
30
20
10
7920
0 7884.0
7884.2
7884.4
Frequency (cm-1)
7884.6
单线光谱技术无交叉气体干扰：
激光谱宽非常窄（单色性好）
激光频率扫描范围内只有被测气体吸收谱线
只能测量恒温、恒压、恒流、干燥及无粉尘的气体
快：仅取决于仪表响应时间，<1秒
实地测量，气体信息不失真；测量值为气体线 平均浓度；不受背景气体、粉尘及气体参数影 响 连续测量 无运动部件，可靠性高
慢：取决于采样处理时间、样品气传输时间和仪表 响应时间，>20秒
溶解吸附泄漏导致气体信息失真；测量值为探头位 置局部浓度；背景气体、粉尘及气体参数影响测量 的准确性
② 分子的集居（Population) —与温度相关
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公式说明
• 线型函数Φ
–产生原因：测不准原理 –影响因素：温度/压力 –归一性：面积不变
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DLAS技术
• DLAS——Diode Laser Absorption Spectroscopy 半导体激光吸收光谱
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原位测量必须解决三个问题
• 不受背景气体交叉干扰 • 不受测量现场粉尘等颗粒物干扰 • 不受气体参数（温度、压力等）变化的影
响
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“单线光谱”技术
x10-6 x10-6
60 50 40 30 20 10
0 7870