基于吸收光譜技術(shù)的工業(yè)氣體監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)分析

余恭營

摘 要：隨著當(dāng)前我國科技水平的不斷上升，國家綜合國力的提高，在進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)的過程中有關(guān)部門更加重視可持續(xù)發(fā)展的理念。工業(yè)生產(chǎn)能夠產(chǎn)生大量的污染氣體，不僅對(duì)大氣產(chǎn)生嚴(yán)重危害，也影響到了人們的正常生存環(huán)境。本文我們基于此主要來探究如何采取有效措施來檢測(cè)工業(yè)氣體，為工業(yè)氣體的處理奠定一定的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：吸收光譜；可調(diào)諧半導(dǎo)體激光；工業(yè)氣體檢測(cè)

在進(jìn)行工業(yè)氣體的檢測(cè)過程中，通過可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)來進(jìn)行檢測(cè)能夠有效的將氣體的濃度、實(shí)時(shí)情況反映給有關(guān)部門，在目前的發(fā)展過程中，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜得到了極為廣泛的應(yīng)用和探究，下面我們就主要來看一下吸光譜技術(shù)的主要理論基礎(chǔ)等問題。

一、吸收譜線技術(shù)的理論基礎(chǔ)

（一）氣體分子的選擇吸收

氣體分子在吸收或者釋放一定的電磁輻射之后，其自身的分子能級(jí)會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化，由原來的能級(jí)躍遷到新的能級(jí)，氣體的選擇吸收理論就是基于此提出的。其主要是指氣體能夠吸收不同波長(zhǎng)的光，波長(zhǎng)和氣體分子的內(nèi)部性質(zhì)有著直接的關(guān)系，根據(jù)不同的氣體分子所吸收的不同光我們就能夠?qū)Υ_定氣體的主要成分。這也為我們當(dāng)前基于吸收光譜為原理的工業(yè)氣體檢測(cè)技術(shù)提供了一定的理論基礎(chǔ)。

（二）光譜線的函數(shù)

前面我們通過不同的氣體分子所吸收的不同波長(zhǎng)的光的相關(guān)原理結(jié)合光譜線線性函數(shù)就能夠有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)氣體的檢測(cè)工作。光譜線線性函數(shù)主要是根據(jù)不同發(fā)光粒子所產(chǎn)生的不同輻射率來確定光譜線的寬度，根據(jù)光譜線的寬度來確定氣體的主要成分。

二、基于吸收光譜技術(shù)的工業(yè)檢測(cè)關(guān)鍵步驟分析

我們對(duì)當(dāng)前吸收光譜技術(shù)在工業(yè)檢測(cè)中的應(yīng)用理論基礎(chǔ)進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，吸收光譜技術(shù)之所以能夠應(yīng)用到工業(yè)氣體檢測(cè)主要是由于氣體分子的選擇吸收以及光譜線線性函數(shù)二者的理論基礎(chǔ)決定的。下面我們就主要來分析探究吸收光譜技術(shù)在工業(yè)氣體檢測(cè)過程中的幾個(gè)關(guān)鍵步驟。

（一）吸收譜線的選擇

我們?cè)谶M(jìn)行吸收譜線的選擇過程中，需要合理的把握好不同氣體的相關(guān)線寬問題，吸收譜線在選擇的過程中一般需要選擇信號(hào)強(qiáng)度比較高的，在吸收工業(yè)氣體例如一氧化碳的過程中能夠充分的吸收，使信號(hào)充分的表現(xiàn)出來。第二，在光譜線的選擇上要盡可能的避免出現(xiàn)重復(fù)現(xiàn)象，有的氣體濃度和氣體性質(zhì)類似，可能吸收譜線會(huì)出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，以一氧化碳為例，在進(jìn)行一氧化碳濃度的測(cè)定過程中，需要合理的避開其他氣體重合的譜線，這樣才能夠在最大程度上保證一氧化碳濃度的準(zhǔn)確測(cè)定。第三，一般來說基于吸收光譜技術(shù)的工業(yè)氣體檢測(cè)都需要結(jié)合激光器來進(jìn)行實(shí)施，而激光器有一定的極限范圍，如果超過了激光器的極限范圍，那么所測(cè)定的氣體濃度必然存在一定的誤差。因此在選擇譜線的過程中需要在激光器的發(fā)射波段范圍內(nèi)。

（二）可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜基本工作原理

當(dāng)前應(yīng)用比較常見的基于吸收光譜技術(shù)的工業(yè)氣體檢測(cè)有波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)以及頻率調(diào)制技術(shù)兩大類。一般來說，頻率調(diào)制光譜技術(shù)在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中雖然能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度，使得工業(yè)氣體的檢測(cè)值精確度顯著提升，但是所需要的相關(guān)軟件設(shè)施和硬件設(shè)施成本極高，同時(shí)實(shí)施的環(huán)境也過于苛刻，在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中性價(jià)比不高。因此，當(dāng)前波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中比較廣泛，波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)主要結(jié)合信號(hào)強(qiáng)度、光譜線等完成對(duì)工業(yè)氣體的測(cè)定和濃度檢測(cè)工作。對(duì)于一些濃度值比較高，并且易于檢測(cè)的工業(yè)氣體來說，通過波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)能夠很好的進(jìn)行測(cè)定。但是如果氣體濃度值并不高，并且氣體的吸收信號(hào)較弱的情況下，通過波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)無法有效的進(jìn)行測(cè)定。在這方面，需要結(jié)合WMS系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的優(yōu)化和改善，WMS技術(shù)主要能夠?qū)⒄麄€(gè)測(cè)定環(huán)境中的外界影響因素最小化，使得測(cè)定的信號(hào)強(qiáng)度顯著增加，從而提升工業(yè)氣體的檢測(cè)準(zhǔn)確度。

（三）諧波檢測(cè)原理

在吸收光譜技術(shù)中的關(guān)鍵檢測(cè)原理中，還需要考慮到半導(dǎo)體激光器輸出頻率的變化以及電流注入的影響問題。在進(jìn)行工業(yè)氣體的檢測(cè)過程中，需要激光導(dǎo)體對(duì)信號(hào)窄帶波長(zhǎng)進(jìn)行掃描，同時(shí)根據(jù)所錄入的數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)氣體在線譜上的波長(zhǎng)和線寬來確定氣體的具體成分和濃度。吸收波長(zhǎng)與吸收系數(shù)之間的變化呈現(xiàn)非線性關(guān)系，需要利用電流調(diào)制來優(yōu)化激光波長(zhǎng)。[ 1 ]諧波檢測(cè)的主要原理通過對(duì)二次諧波的相關(guān)特征指標(biāo)進(jìn)行提取和檢測(cè)，從而反應(yīng)具體的氣體濃度和相關(guān)指標(biāo)。通過實(shí)際的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，二次諧波中也包含有一定的氣體濃度指征，并且相關(guān)指標(biāo)的準(zhǔn)確度要比一次諧波更加完善，所需要的儀器設(shè)備的成本也較低，比較適合工業(yè)氣體的檢測(cè)。

（四）氣體檢測(cè)光源的選擇

在進(jìn)行吸收光譜技術(shù)的工業(yè)氣體檢測(cè)過程中有兩種不同的激光儀器可供選擇，其一為分布反饋式激光器，其主要的工作原理是通過折射率的規(guī)律變化來進(jìn)行工業(yè)氣體的檢測(cè)工作，并且分布反饋式激光器的覆蓋面比較廣，在進(jìn)行氣體單一指標(biāo)的測(cè)定上，其線寬更窄，能夠?qū)崿F(xiàn)更為準(zhǔn)確的測(cè)定，對(duì)相關(guān)的硬件設(shè)施要求低，在當(dāng)前工業(yè)氣體檢測(cè)過程中得到了較為廣泛的應(yīng)用。[ 2 ]第二種氣體檢測(cè)光源為垂直腔表面發(fā)射激光器，其主要的工作原理是通過改變激光器內(nèi)部腔體的長(zhǎng)度來改變波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)氣體的檢測(cè)工作，在目前的發(fā)展來看，垂直腔表面發(fā)射激光器所輸入的電流值以及功率較低，所耗費(fèi)的資源較小，但是相比于分布反饋式激光器來說，測(cè)定的精確度存在一定的問題，在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中并沒有分布反饋式激光器更加廣泛。[ 3 ]

三、總結(jié)

綜合上文所述，我們可以看出隨著當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，在進(jìn)行工業(yè)氣體檢測(cè)上的技術(shù)和手段正在不斷的創(chuàng)新和改善，本文我們基于此主要探究基于吸收光譜技術(shù)在工業(yè)氣體檢測(cè)上的幾大關(guān)鍵性技術(shù)，得出吸收光譜技術(shù)在工業(yè)氣體檢測(cè)的過程中應(yīng)用的理論基礎(chǔ)是氣體分子選擇吸收以及光譜線的線性選擇兩大理論。關(guān)鍵技術(shù)主要為吸收光譜選擇、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜基本工作原理、諧波檢測(cè)原理、以及氣體檢測(cè)光源的選擇。在未來的發(fā)展工業(yè)氣體檢測(cè)過程中，相信吸收光譜技術(shù)一定能夠得到更加廣泛發(fā)展和推廣。[ 4 ]

參考文獻(xiàn)：

[1] 王洪濤.基于吸收光譜技術(shù)的工業(yè)氣體監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].重慶大學(xué)，2014.

[2] 趙燕杰.窄線寬低噪聲摻鉺光纖激光器以及新型光纖氣體傳感器的研究[D].山東大學(xué)，2014.

[3] 孫友文，劉文清，謝品華，方武，曾議，司福祺，李先欣，詹鍇.差分吸收光譜技術(shù)在工業(yè)污染源煙氣排放監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].物理學(xué)報(bào)，2013，01：102-111.

[4] 姚路，劉文清，劉建國，闞瑞峰，許振宇，阮俊，戴云海.基于TDLAS的長(zhǎng)光程環(huán)境大氣痕量CO監(jiān)測(cè)方法研究[J].中國激光，2015，02：313-320.