激光分析仪技术原理

波长范围750-2000nm左右。 左右。 波长范围 左右
激光波 长范围
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小结
基于吸收光谱技术， 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、 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， 光源是用半导体激光： 波段窄，可调制
Time [ms]
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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 LGA-2000激光现场在线气体分析仪 不需要 现场、连续、实时测量 高温、高粉尘、高水分、高流速、强腐蚀等恶 劣环境适应能力强 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 不受背景气体交叉干扰；自动修正粉尘及光学 视窗污染干扰 无，安全无污染 标定：<2次/年； 维护：<2次/年，系统自动提示 运行费用接近于零（仅为电费） 必需 采样预处理后间断测量 只能测量恒温、恒压、恒流、干燥及无粉尘的气体 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 间断测量：反吹时无法测量 较多运动部件，可靠性低 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 有，危险有污染 标定：2~3次/月； 维护：经常 年费用一般为系统成本的20%左右 传统光谱在线气体分析仪
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DLAS技术
DLAS——Diode Laser Absorption Spectroscopy 半导体激光吸收光谱
与传统吸收光谱相似，基于受激吸收效应并遵循 与传统吸收光谱相似，基于受激吸收效应并遵循Beer – Lambert公式 公式 采用半导体激光器为光源， 采用半导体激光器为光源，并可采用调制吸收光谱技术 （TDLAS）
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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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环境因素修正
测量气体的温度、 测量气体的温度、压
0.25 Increasing pressure (P = 3.4, 4.8, 6.3, 7.6, 8.9, 10.5 bar) 0.20 0.15 0.10
I ∫ − ln( I 0 )dυ (1.2) PSL
v0
v
关键因素Ｘ＝F(Absorbance,T,P,L) 关键因素Ｘ＝F(Absorbance Ｘ＝
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公式说明
在波长一定的情况下， 线强由两方面因素决定 线强由两方面因素决定： 在波长一定的情况下，S线强由两方面因素决定：
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DLAS技术难点
激光器和谱线的选择； 激光器和谱线的选择；
温度，压力展宽的补偿； 温度，压力展宽的补偿；
弱信号检测技术（吸收率探测下限） 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； 不同应用工况的解决方案；
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技术上的特点决定了安装测量方式： 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
发射单元
接收单元
过程气体
半导体激光 驱动电路
数据分析 及控制
数据采集
中央分析仪器元
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力等环境参数影响气体
R7Q8 -1 (13142.584 cm ) R7R7 -1 (13140.568 cm )
2f trace [a.u.]
吸收谱线展宽 通过展宽补偿技术可
0.05
进行精确补偿： 进行精确补偿：
0.00 -0.05 -0.10 0 2 4 6 8 10 12 14 16
单线光谱数据 针对测量工艺的展宽 补偿
10 10
-2 -4
2000
4000
Frequency [cm ]
6000
10000
4320
Frequency [cm ]
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浓度测量公式
测量基本公式
透过率曲线
吸收率absorbance 吸收率
T (v)
I − ln( ) I0 X= = PS ΦL
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
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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 ） 热导式：利用气体（主要是H2）导热特性进行监测 磁氧表： 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 氧化锆：利用氧浓度差电池效应；－>（ ；－ 方法） 方法） 气相色谱：利用色谱柱进行分离，进行分析 气相色谱：利用色谱柱进行分离，
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） 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 单线光谱”
60
60
传统光源波长宽度
50 40
-6
50
激光器波长宽度
40 x10
-6
x10
分子跃迁上， ① 分子跃迁上，下能级的波函数 —由分子结构等性质决定 由分子结构等性质决定 分子的集居（ ② 分子的集居（Population) —与温度相关 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 产生原因： 影响因素：温度/ 影响因素：温度/压力 归一性： 归一性：面积不变
5x10
H2O
-1
10 ppm CO @1atm, 300K
10 10
-2 -4
Absorbance [cm ]
10
0
-1
4 3 2 1 0 4200 4240 4280
-1
-6 10 2
10 10
0
1v (4.6 µm)
R branch 2v (2.3 µm)
CO 3v (1.55 µm)
-1 8000
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半导体激光器
按激光器类型
端面发射激光器（ 端面发射激光器（DFB, DBR） ） 垂直腔表面发射激光器 (VCSEL） ）
按激光的传输方式
光纤式 非光纤式
按测量气体
测量O2 76X nm 波段（可见光） 波段（可见光） 测量 测量CO，CO2 15XX nm 波段 ， 测量 测量HCL 17XXnm 波段 测量 测量CH4 16XXnm 波段 测量 测量H20 近红外 测量
原位分析 VS 采样分析
采样分析
获得样本 预处理 析 众多缺点： 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
分
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 发
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原位测量必须解决三个问题
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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。 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 光源一般在 左右 可调制扫描
绝大部分光属于红外区域， 绝大部分光属于红外区域，
FOCUSED PHOTONICS INC
DLAS技术原理培训
市场部-许鹏 市场部 许鹏
源自文库
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（ 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 =
E2
光子 能级跃迁
hν
E1
分子能量表现
旋转
4
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
10
0
CO2
-6
Linestrength [atm cm ]
-2
10
-5
发展历史： 发展历史：
上世纪六十年代， 上世纪六十年代，激光器发明 上世纪七、八十年代， 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， 上世纪九十年代，半导体激光器和光纤元件大规模商用化 上世纪九十年代，欧美国家开始DLAS技术产业化研究 上世纪九十年代，欧美国家开始 技术产业化研究
30 20 10 0 7870 7880 7890 7900
-1
30 20 10 0
7910
7920
7884.0
7884.2
7884.4
-1
7884.6
Frequency (cm )
Frequency (cm )
单线光谱技术无交叉气体干扰： 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