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（1

cm -）=10000

0()()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。具体来说，半导体激光器发射出特定波长的激光束穿过被测气体时，被测气体对激光束进行吸收导致激光强度产生衰减，激光强度的衰减程度与被测气体含量成正比，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。分布反馈（DFB ）激光器的波长可以被温度和电流调谐，一般用温度调谐把激光器的波长稳定在气体吸收峰附近，再用电流调谐方法使激光器的波长扫描气体吸收峰。

近年来可调谐半导体激光器在气体分析中逐渐成熟起来，其单线光谱分析技术具有许多独特的优点。与传统红外光谱技术相比，TDLAS 气体分析技术的特点是所采用的半导体激光光源的光谱宽度远小于气体吸收谱线的展宽。例如半导体分布反馈激光器（DFB-LD ）的光谱线宽（<10MHz ），远小于气体吸收线宽（几十MHz~几百MHz ）。因此采用单模激光器的TDLAS 技术具有非常高的光谱分辨率，可以对气体吸收谱的某一特定谱线进行分析，获得被测气体浓度（常被称为单线光谱分析技术）。TDLAS 技术的特点主要表现为：恶劣环境适应能力强；克服了背景气体、粉尘的吸收干扰，测量精度高；不需采样预处理系统，节省了样气预处理的时间和样气在管道内的传输时间，响应速度快，可实现工业过程实时在线管理。九十年代后，由于光通讯发展的需要，半导体激光器和光纤元件发展迅速，性能大大提高，室温工作、长寿命（>50,000 小时）、单模特性和较宽波长范围的半导体激光器被大量地生产出来并投入市场，一些高灵敏度的光谱技术如频率调制(frequency

modulation spectroscopy)衰荡腔（cavity ring down spectroscopy）等也逐渐成熟，TDLAS 技术开始被较多地应用于科学和工程研究，国内外多家机构利用它研究气体分析。

频率调制光谱吸收法

随着DFB激光器（Distributed Feedback Laser）的研制成功，频率调制光谱技术开始受到人们的广泛关注。1990年，H.Tai和K.Yamamoto等人基于谐波检测方法，利用DFB激光器对1665.4nm处的瓦斯气体吸收峰进行了检测，由于DFB激光器的带宽很窄，有效光功率很高，从而使系统的检测灵敏度达到20ppm。受到温度漂移、噪声等因素的影响，DFB激光器输出光的中心频率很难精确锁定在气体光谱吸收峰的位置。此外，光路中各端面的反射和散射会产生干涉信号，造成检测精度和灵敏度的下降。为消除这些影响，1998年，G.Stewart等人提出了基于频率调制的气体检测方法，对气体的光谱吸收线进行扫描，得到了与气体浓度有关的高次谐波，检测灵敏度达到1ppm。DFB 激光器输出光频率的调制可以通过调节温度或注入电流来实现。最方便的方法是调制DFB激光器的注入电流，然而电流调制也会引起DFB激光器输出光功率的变化，这意味着，即使DFB激光器输出光的中心频率和气体的光谱吸收峰对准，一次谐波也不为零（图2-1）。

图2-1 应用频率调制技术进行气体检测

换句话说，利用一次谐波作为反馈信号，DFB激光器输出光的中心频率并不能精确锁定在气体的光谱吸收峰上，而是有一常值偏差，偏差的大小取决于光强调制幅度的大小。解决这一问题的方法是，在检测到的一次谐波中，引入一个和功率调制等值反号的信号进行偏差补偿。基于频率调制技术的气体传感器灵敏度高，选择性好，响应速度快，抗干扰能力强，耐高温及潮湿能力强，气体传感探头简单可靠，易于形成网络，是目前最有前途的一种气体传感技术。

谐波检测理论

可调谐激光光谱技术由Hinkley和Reid提出，是对分子特定光谱范围内一条振转谱线的光谱吸收进行检测的痕量气体检测技术，具有灵敏度高、精度高、选择性强、响应速度快等特点，检出限可达到10-6～10-7吸收单位。可调谐激光光谱系统的光源一般采用DFB激光器，由于受到温度漂移等因素的影响，其输出光的中心频率很难与气体的光谱吸收峰对准。为了解决这个问题，G.Stewart 等人通过调制DFB激光器的输出光频率，对气体的光谱吸收线进行扫描，得到了与气体浓度相关的