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氣體分析已應(yīng)用于各種場(chǎng)所和用途，例如測(cè)量汽車(chē)排放和監(jiān)控?zé)煔馀欧拧＝陙?lái)，氣體分析的用途進(jìn)一步擴(kuò)大，已經(jīng)開(kāi)始研究通過(guò)呼吸分析實(shí)現(xiàn)疾病的早期檢測(cè)和診斷。濱松為光學(xué)氣體測(cè)量提供廣泛的光源和探測(cè)器。
一，光學(xué)氣體探測(cè)分析的特點(diǎn)
由于每個(gè)氣體分子都有自己的吸收波長(zhǎng)，因此可以通過(guò)測(cè)量該波長(zhǎng)處的吸光度來(lái)測(cè)量氣體的濃度。特別是在紅外區(qū)，由于氣體分子的振動(dòng)，氣體特有的吸收波長(zhǎng)較多，因此紅外區(qū)被用于測(cè)量各種氣體。如下圖：
例如下圖中所示，光照射到氣體，然后通過(guò)檢測(cè)透射或反射的光來(lái)監(jiān)控吸光度。通過(guò)在考慮目標(biāo)氣體及其周?chē)h(huán)境的光吸收特性的情況下選擇最佳裝置，光學(xué)方法可以實(shí)現(xiàn)比其他氣體測(cè)量方法更快的響應(yīng)、更高的精度和更長(zhǎng)的壽命。
二，為什么光學(xué)氣體探測(cè)分析更有優(yōu)勢(shì)
1.高精度
光學(xué)氣體檢測(cè)受共存氣體和水蒸氣的影響較小，因?yàn)樗鼨z測(cè)每種氣體的特定吸收波長(zhǎng)。光學(xué)氣體探測(cè)還可以對(duì)多個(gè)探測(cè)目標(biāo)進(jìn)行同時(shí)探測(cè)，效率高。
2.快速響應(yīng)
光傳感器本身具有更快的響應(yīng)速度，使其適用于實(shí)時(shí)氣體監(jiān)控。即使在較短的測(cè)量時(shí)間內(nèi)，它也能對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行積分和平均，從而實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量。
3.更長(zhǎng)使用壽命
光學(xué)氣體探測(cè)采用的是非接觸式檢測(cè)，有助于保持系統(tǒng)穩(wěn)定，并減少傳感器本身的劣化。此外，可以減少維護(hù)頻率。因而具有更長(zhǎng)的使用壽命。
三，光學(xué)氣體探測(cè)分析的技術(shù)路線(xiàn)
1.NDIR
NDIR，Non-Dispersive InfraRed，非分散紅外技術(shù)的簡(jiǎn)稱(chēng)。它利用氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)紅外輻射的吸收特性來(lái)測(cè)定氣體的濃度。當(dāng)紅外光源發(fā)出的紅外輻射經(jīng)過(guò)一定濃度待測(cè)的氣體時(shí)，氣體分子會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的光，與氣體濃度成正比的光譜強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致通過(guò)氣體的光譜強(qiáng)度發(fā)生變化。因此，通過(guò)測(cè)量這種變化，求出光譜光強(qiáng)的變化量就可以反演出待測(cè)氣體的濃度。
NDIR傳感器通常包括一個(gè)紅外LED光源、一個(gè)或多個(gè)光電二極管（PD）和一個(gè)氣室。紅外光源發(fā)出的光穿過(guò)氣室并被光電二極管檢測(cè)。光電二極管能夠轉(zhuǎn)換光信號(hào)為電信號(hào)，通過(guò)分析這些信號(hào)的衰減，可以計(jì)算出氣體的濃度。NDIR技術(shù)可以采用單通道或雙通道測(cè)量方案，其中雙通道方案提供了更好的測(cè)量結(jié)果和穩(wěn)定性，因?yàn)樗褂脜⒖纪ǖ纴?lái)補(bǔ)償與分析無(wú)關(guān)的信號(hào)影響。
單通道測(cè)量方案，即包含一個(gè)LED光源和一個(gè)光電二極管。該技術(shù)在大多數(shù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)和傳感器模塊中都有應(yīng)用，但是這種方法容易受到溫度變化的影響，可能會(huì)造成一定的測(cè)量誤差。
雙通道測(cè)量方案又可以分成三種，一種是1個(gè) LED搭配2個(gè)PD的，一種是2個(gè)LED搭配1個(gè)PD的，還有一種2個(gè)LED搭配2個(gè)PD的。
1）1個(gè) LED搭配2個(gè)PD：這個(gè)方案將包括一個(gè)額外的PD，除了單通道測(cè)量的LED和PD外，還有個(gè)額外的光電二極管檢測(cè)參考光路的信號(hào)，是為了做與分析無(wú)關(guān)的影響的信號(hào)的補(bǔ)償。測(cè)量PD提供了測(cè)量信號(hào)，對(duì)分析物質(zhì)的存在和濃度非常敏感，而參考PD的信號(hào)幾乎不受影響。測(cè)量和參考信號(hào)的處理，即使在惡劣的溫度和環(huán)境條件下，也能獲得穩(wěn)定可靠的測(cè)量結(jié)果，因?yàn)楣怆姸O管對(duì)外界環(huán)境的反應(yīng)是相同的。
該方案可采用兩種方法實(shí)現(xiàn)：a . 參考PD與測(cè)量PD擁有相同的靈敏度，并緊靠著LED發(fā)光口處，從而保證了在短光程時(shí)的信號(hào)衰減最小；b. 參考PD的敏感頻譜避開(kāi)被測(cè)分析氣體的吸收頻譜頻譜，但可以對(duì)LED光譜有響應(yīng)，因此該方案需要一個(gè)光譜范圍足夠?qū)挼腖ED，使兩個(gè)不同光譜響應(yīng)范圍的PD都能響應(yīng)，這種方式需要讓參考PD緊靠測(cè)量PD。
2）2個(gè)LED搭配1個(gè)PD：這個(gè)方案將包括一個(gè)額外的LED，除了單通道測(cè)量的LED和PD外，還有個(gè)額外的LED發(fā)射參考光信號(hào)，測(cè)量LED所發(fā)出的輻射波長(zhǎng)與分析氣體的吸收光譜相對(duì)應(yīng)，而參考LED發(fā)射不被被測(cè)氣體吸收的波長(zhǎng)的光，從而根據(jù)PD所檢測(cè)到的測(cè)量LED和參考LED之間的信號(hào)差來(lái)分析被測(cè)氣體的濃度。
3）2個(gè)LED搭配2個(gè)PD：這種方法與前一種方法類(lèi)似，唯一不同的是引入了額外的光電二極管用于參考信號(hào)檢測(cè)，整個(gè)方案將包括2個(gè)獨(dú)立的通道，測(cè)量通道的光譜可被被測(cè)氣體吸收，參考通道的光譜不可被被測(cè)氣體吸收，通過(guò)雙通道檢測(cè)到的信號(hào)差別來(lái)分析被測(cè)氣體的濃度。
NDIR路線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)包括允許設(shè)計(jì)低成本的解決方案，簡(jiǎn)單和緊湊的傳感器設(shè)計(jì)以及提供可接受的結(jié)果。此外，NDIR路線(xiàn)不需要頻繁校準(zhǔn)，這降低了維護(hù)成本和復(fù)雜性。
NDIR技術(shù)路線(xiàn)的產(chǎn)品推薦：
②中紅外 LED L1589X 系列
③InAsSb 光伏元件 P16112 系列及其他（配備帶通濾波器）
2.FTIR
傅里葉變換紅外光譜儀(Fourier Transform Infrared Spectrometer，簡(jiǎn)寫(xiě)為FTIR)，不同于色散型紅外分光的原理，是基于對(duì)干涉后的紅外光進(jìn)行傅里葉變換的原理而開(kāi)發(fā)的紅外光譜儀，主要由紅外光源、光闌、干涉儀(分束器、動(dòng)鏡、定鏡)、樣品室、檢測(cè)器以及各種紅外反射鏡、激光器、控制電路板和電源組成。可以對(duì)樣品進(jìn)行定性和定量分析，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥化工、地礦、石油、煤炭、環(huán)保、海關(guān)、寶石鑒定、刑偵鑒定等領(lǐng)域。
1）FTIR原理
待測(cè)樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射，分子基團(tuán)吸收特征頻率的輻射，其振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)引起偶極矩變化，產(chǎn)生分子的振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，形成的分子吸收光譜。
紅外吸收光譜主要用于材料的基團(tuán)結(jié)構(gòu)分析、材料的定性及定量分析：
①特征吸收頻率------基團(tuán)（定性分析）
②特征峰的強(qiáng)度------定量分析
2）FTIR特點(diǎn)
①掃描速度快：傅里葉變換紅外光譜儀是按照全波段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的，得到的光譜是對(duì)多次數(shù)據(jù)采集求平均后的結(jié)果，而且完成一次完整的數(shù)據(jù)采集只需要一至數(shù)秒，而色散型儀器則需要在任一瞬間只測(cè)試很窄的頻率范圍，一次完整的數(shù)據(jù)采集需要十分鐘至二十分鐘。
②信噪比高：傅里葉變換紅外光譜儀所用的光學(xué)元件少，沒(méi)有光柵或棱鏡分光器，降低了光的損耗，而且通過(guò)干涉進(jìn)一步增加了光的信號(hào)，因此到達(dá)檢測(cè)器的輻射強(qiáng)度大，信噪比高。
③重現(xiàn)性好：傅里葉變換紅外光譜儀采用的傅里葉變換對(duì)光的信號(hào)進(jìn)行處理，避免了電機(jī)驅(qū)動(dòng)光柵分光時(shí)帶來(lái)的誤差，所以重現(xiàn)性比較好。
3）應(yīng)用領(lǐng)域
① 已知物的鑒定
② 未知物的結(jié)構(gòu)鑒定
③ 特殊材料的定量分析
FTIR技術(shù)路線(xiàn)的產(chǎn)品推薦：
①I(mǎi)nAsSb 光伏元件P16112 系列及其他
③II 類(lèi)超晶格紅外探測(cè)器P15409-901
3.TDLAS
TDLAS是Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy的簡(jiǎn)稱(chēng)，該技術(shù)主要是利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的窄線(xiàn)寬和波長(zhǎng)隨注入電流改變的特性，通過(guò)調(diào)制激光器的波長(zhǎng)，使激光器的波長(zhǎng)掃描過(guò)被測(cè)氣體分子的吸收峰，從而基于比爾朗伯定律，使氣體分子對(duì)被調(diào)制的激光進(jìn)行吸收，從而根據(jù)吸收量實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體分子濃度的測(cè)量。
調(diào)諧半導(dǎo)體吸收光譜(TDLAS)技術(shù)系統(tǒng)組建示意圖
調(diào)諧半導(dǎo)體吸收光譜(TDLAS)技術(shù)驅(qū)動(dòng)需要使用鋸齒電流掃描信號(hào)給到激光器，從而使激光器發(fā)出的激光的波長(zhǎng)是調(diào)諧掃描的。驅(qū)動(dòng)波形采用的是低頻鋸齒波疊加高頻正弦波的方式，三角波為掃描作用決定輸出強(qiáng)度，正弦波為調(diào)制作用。如下波形圖：
TDLAS驅(qū)動(dòng)信號(hào)疊加理論圖和實(shí)測(cè)圖
經(jīng)過(guò)氣體吸收之后，需要通過(guò)TDLAS信號(hào)解調(diào)板對(duì)光電二極管得到的光電信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而得到隨濃度變化的2f諧波信號(hào)。如下圖：
TDLAS解調(diào)信號(hào)理論圖
TDLAS解調(diào)信號(hào)實(shí)測(cè)圖
TDLAS解調(diào)信號(hào)實(shí)測(cè)圖
調(diào)諧半導(dǎo)體吸收光譜(TDLAS)技術(shù)主要應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)過(guò)程控制、安防火災(zāi)、汽車(chē)尾氣監(jiān)測(cè)、生物和醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域光譜檢測(cè)。
TDLAS技術(shù)路線(xiàn)的產(chǎn)品推薦：
①CW 量子級(jí)聯(lián)激光器L1200X 系列
③帶前置放大器的 InAsSb 光伏元件 P16702-011MN
④帶前置放大器的紅外檢測(cè)模塊 C1721X 系列
4.DOAS
DOAS（Differential Optical Absorption Spectroscopy）差分吸收光譜技術(shù)是一種通過(guò)測(cè)量微量氣體在紫外和可見(jiàn)光譜區(qū)域內(nèi)對(duì)特定波段的吸收強(qiáng)度來(lái)演算得到微量氣體濃度的方法。
DOAS為一種被廣泛使用的確定大氣氣體濃度的方法。大氣中不同的氣體在光譜中留下它們各自特殊且特定的吸收痕跡，從中便可以檢索到這些氣體的濃度。而差分吸收光譜技術(shù)的本質(zhì)就是氣體分子對(duì)光輻射的吸收。
1）DOAS的組成結(jié)構(gòu)
DOAS 技術(shù)的氣體檢測(cè)可根據(jù)光源的不同分為被動(dòng)式和主動(dòng)式。 被動(dòng)式的DOAS系統(tǒng)主要以來(lái)自太陽(yáng)，月亮等星體的光為光源，而目前多數(shù)主動(dòng)式的DOAS系統(tǒng)，以氘燈或氙燈作為光源。
我們主要討論主動(dòng)式的DOAS儀器設(shè)備。DOAS系統(tǒng)主要包括：光源發(fā)射端、接收端、紫外氣體吸收池、光纜、單色儀、光譜儀、計(jì)算機(jī)等。
2）技術(shù)特點(diǎn)
DOAS技術(shù)與傳統(tǒng)的大氣測(cè)量技術(shù)相比，有著顯著的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)：
①DOAS技術(shù)的測(cè)量范圍長(zhǎng)，可以檢測(cè)到幾百米甚至千米范圍內(nèi)的氣體吸收，與點(diǎn)測(cè)試方法相比，小區(qū)域范圍內(nèi)的干擾對(duì)目標(biāo)氣體結(jié)果的準(zhǔn)確性影響不大。并且其測(cè)量范圍廣，在揭示空氣尚未發(fā)現(xiàn)的成分方面有很大潛力。
②DOAS技術(shù)測(cè)量的是連續(xù)波段的光譜，在這段光譜范圍內(nèi)，會(huì)存在不同氣體的特征吸收，實(shí)現(xiàn)同時(shí)監(jiān)測(cè)多種氣體濃度。對(duì)于一些濃度極低的痕量氣體，如甲苯，單環(huán)等。
③DOAS技術(shù)是非接觸性測(cè)量方法，不破壞痕量氣體特征，不受水汽干擾，可避免檢測(cè)對(duì)象等誤差源的影響。
④DOAS 技術(shù)具有高靈敏度、高時(shí)間分辨率、且響應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
3）測(cè)量原理與算法
DOAS技術(shù)廣泛應(yīng)用于紫外和可見(jiàn)光區(qū)域范圍。一些氣體分子在紫外-可見(jiàn)波段內(nèi)的吸收特性屬于頻率較高的吸收，俗稱(chēng)窄帶吸收，而大氣或煙氣中的顆粒物引起的瑞利散射和米氏散射為寬帶吸收。DOAS技術(shù)正是將吸收光譜中窄帶部分和寬帶部分分離，以消除大氣分子散射的影響。
紫外-可見(jiàn)波段部分氣體吸收光譜
DOAS技術(shù)可以檢測(cè)到NO、NH3、O3、SO2、H2S、CIO2、NO2、C6H6等具有窄帶特征吸收的氣體分子。
在氣體環(huán)境中，瑞利散射和米氏散射也會(huì)導(dǎo)致消光散射。這兩種散射是大氣中主要的散射因素，因而造成光散射偏離。散射光不能被探測(cè)器接收到，但是這種沒(méi)有被探測(cè)器接收到的光，在DOAS技術(shù)處理過(guò)程中，可能被視為分子的“過(guò)程”。
氣體通道中的各種消光效應(yīng)
因此，在DOAS的算法過(guò)程中，這兩種散射所造成的消光會(huì)被加入到比爾朗伯定律的等式中, 從而得到以下等式：
其中τ被定義為光學(xué)厚度，即光程、氣體吸收截面和氣體濃度這三者的乘積。而 εR (λ)和 εM (λ) 則分別為瑞利散射和米氏散射的效果系數(shù)。
在差分吸收光譜方法的基本思路是: 由氣體分子吸收引起的光學(xué)厚度的變化是隨著波長(zhǎng)變化而快速變化的，由瑞利散射和米氏散射引起的光學(xué)厚度的變化是隨著波長(zhǎng)變化而緩慢變化的。因此，可以將分子引起的光譜快播變化部分稱(chēng)為“窄帶”部分，對(duì)應(yīng)于頻率中的高頻部分，將瑞利散射和米氏散射引起的光譜慢波變化部分稱(chēng)為“寬帶”部分，對(duì)應(yīng)于頻率中的低頻部分，采用高通濾波器可以將“窄帶”部分的光譜分離出來(lái)。氣體的標(biāo)準(zhǔn)吸收截面σi (λ)也分為兩部分：
其中：σi?(λ)為吸收截面寬帶光譜吸收部分，σi’(λ)為吸收截面中窄帶光譜吸收部分。
微分橫截面σ’是總橫截面σ與緩慢變化的σ?之間的差
結(jié)合上述兩個(gè)等式，即可分離出差分光學(xué)厚度，并與差分吸收截面進(jìn)行擬合，測(cè)量出大氣中痕量氣體的濃度，并有效的消除瑞利散射和米氏散射的影響。DOAS技術(shù)的一項(xiàng)關(guān)鍵步驟是提取原始光譜中表示氣體特征吸收的快波變化部分。目前使用的快波變化和慢波變化分離的方法中， Savitzky-Gloay數(shù)字平滑多項(xiàng)式法是效果比較好的方法，它是一種基于多項(xiàng)式利用最小二乘法進(jìn)行擬合的最佳擬合方法。
DOAS技術(shù)路線(xiàn)的產(chǎn)品推薦：
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