環(huán)境大氣檢測中TDLAS技術(shù)的應(yīng)用思路分析

張明

摘要：本文主要對TDLAS技術(shù)概念及優(yōu)勢進(jìn)行分析，重點(diǎn)闡述了在環(huán)境大氣檢測中TDLAS技術(shù)應(yīng)用思路，其不僅可以充分發(fā)揮TDLAS技術(shù)的優(yōu)勢，而且還可以提高環(huán)境大氣檢測水平。通過對TDLAS技術(shù)進(jìn)行研究，以期為環(huán)境大氣檢測工作的開展提供可靠保障，創(chuàng)造出最大化的經(jīng)濟(jì)與社會效益。

關(guān)鍵詞：環(huán)境大氣檢測;TDLAS技術(shù);應(yīng)用思路

1.TDLAS技術(shù)概述

1.1TDLAS技術(shù)概念

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)的簡稱是TDLAS技術(shù)，其中可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器是主要部件，該部件的波長和窄線寬可以結(jié)合注入電流的大小而發(fā)生改變，具有反應(yīng)速度快、靈敏度高的特點(diǎn)，而且還可以使傳統(tǒng)大氣在線檢測中常見的問題得到有效解決。

1.2TDLAS技術(shù)優(yōu)勢

在環(huán)境大氣檢測中TDLAS技術(shù)所具有的優(yōu)勢如下：（1）該技術(shù)能夠同時(shí)測量多組分;（2）該技術(shù)呈現(xiàn)出較快的反應(yīng)速度和較高的靈敏度，可以在保證靈敏度的同時(shí)，精確控制時(shí)間分辨率，以確保其能夠達(dá)到毫秒量級的精確度;（3）該技術(shù)具有極高選擇性，且所選擇的光譜技術(shù)分辨率較高，可以避免其他氣體產(chǎn)生的干擾;（4）該技術(shù)所選擇的儀器設(shè)備并未配置運(yùn)動元件，不僅有利于維護(hù)，而且還具備較高的可靠性;（5）該技術(shù)可以對測量結(jié)果進(jìn)行自動修正，進(jìn)而避免了外界溫度、壓力等環(huán)境因素變化產(chǎn)生的不良影響;（6）該技術(shù)無需為采樣提供預(yù)處理，不僅可以對生產(chǎn)各流程的有效控制，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng);（7）在測試儀器內(nèi)部，該技術(shù)需要對標(biāo)定腔進(jìn)行科學(xué)、合理設(shè)置，并且在具體檢測工作中，能夠達(dá)到定時(shí)自動標(biāo)定，無需手動操作。

2.TDLAS測量方法分析

2.1直接吸收法

這里所提及到的直接吸收法通過一組波長連續(xù)且可以調(diào)諧的激光來對吸收譜線進(jìn)行掃描，并借助電流和溫度來調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的中心波長，并使其處于吸收譜線中心波長位置，然后在外部對調(diào)諧電流信號進(jìn)行加載，以保證在吸收峰附近實(shí)現(xiàn)對激光器的來回掃描。

直接吸收法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)操作簡單，無需進(jìn)行標(biāo)定，而且吸收譜線直觀可見。然而因?yàn)門DLAS技術(shù)運(yùn)行過程中會遇到噪聲影響，進(jìn)而在低濃度測量環(huán)境中導(dǎo)致吸收信號不同程度上遭受噪聲信號淹沒，不能有效探測其下限。在直接吸收法應(yīng)用階段，通常會輔以多次反射吸收池技術(shù)，且采用在較小測量空間范圍提高光程長，以確保光譜吸收率得到有效提升。但直接吸收法應(yīng)用過程中所存在的噪聲問題并未得到有效解決，同時(shí)因?yàn)樾旁氡冗^低，將會影響測量系統(tǒng)的精準(zhǔn)性和靈敏度。

2.2波長調(diào)制法

要想確保直接吸收法中存在的問題得到有效解決，研發(fā)出了波長調(diào)制法，其主要是在低頻調(diào)諧掃描信號上，對激光波長進(jìn)行高頻調(diào)制，通過使信號頻率得到提升的方式來達(dá)到抑制探測器噪聲和激光光源的目的。同時(shí)，在通過氣體吸收池后，借助解調(diào)吸收信號輸入鎖相放大器使高頻調(diào)制獲得與濃度相對應(yīng)的諧波信號。

在波長調(diào)制法應(yīng)用過程中，常見的調(diào)制技術(shù)有頻率調(diào)制光譜技術(shù)和波長調(diào)制光譜技術(shù)兩種。通過對這兩種調(diào)制技術(shù)進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，波長調(diào)制技術(shù)所選擇的調(diào)制頻率遠(yuǎn)低于吸收譜線的半高寬，其范圍在1kHz-100 kHz。而頻率調(diào)制技術(shù)采用的調(diào)制頻率大于譜線半高寬。在實(shí)際應(yīng)用階段，頻率調(diào)制技術(shù)對高頻信號探測器的要求比較高，且在確保靈敏度的基礎(chǔ)上波長調(diào)制技術(shù)還可以有效節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。

3. 在環(huán)境大氣檢測中TDLAS技術(shù)的應(yīng)用情況

3.1TDLAS技術(shù)的應(yīng)用原理

通常情況下，TDLAS技術(shù)即所謂的光譜吸收技術(shù)，其在深入分析氣體的基礎(chǔ)上來了解氣體對光的吸收情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對氣體濃度進(jìn)行有效檢測的目的。在進(jìn)行大氣環(huán)境檢測階段，TDLAS技術(shù)原理如下：確保所發(fā)射的光束可以順利通過被檢測氣體，然后通過相應(yīng)的接收器保證光束可以在另一端被有效接收，而光線發(fā)射器與接收器的間距將會對光程的具體長度產(chǎn)生決定性影響。

3.2TDLAS技術(shù)在環(huán)境大氣檢測中應(yīng)用要點(diǎn)

3.2.1檢測過程

在環(huán)境大氣檢測工作中，要結(jié)合實(shí)際情況來確定吸收光譜線頻率位置，并為其選擇相匹配的激光二極管，并結(jié)合實(shí)際情況來對溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保激光位于中心頻率，隨后按照要求注入若干低頻率鋸齒波電流，這樣既能夠保證激光頻率對所有吸收光譜線進(jìn)行掃描檢測，收集“單線吸收光譜”數(shù)據(jù)，以此來掌握吸收光譜“單線”狀態(tài)，同時(shí)，也能夠避免背景氣體組分對被檢測氣體成本產(chǎn)生干擾，進(jìn)而保證檢測結(jié)果的真實(shí)性和有效性。在具體應(yīng)用階段，借助試驗(yàn)樣機(jī)來對不同體積分?jǐn)?shù)待測氣體進(jìn)行測試，形成探測器光功率比值和吸收峰二次諧波信號強(qiáng)度與氣體體積分?jǐn)?shù)間相匹配的數(shù)據(jù)表，將這部分?jǐn)?shù)據(jù)錄入ExceL中擬合處理，從而得到對應(yīng)的關(guān)系式，最后將吸收峰二次諧波信號強(qiáng)度和探測器光功率比值導(dǎo)人關(guān)系式中，就可以計(jì)算出被測氣體體積分?jǐn)?shù)。

3.2.2吸收光結(jié)構(gòu)

在分析和探究TDLAS技術(shù)工作原理后，可以在光路中對光源進(jìn)行劃分，具體如下：（1）如果環(huán)境大氣檢測器中接收到光纖時(shí)，通過觀察激光強(qiáng)度后，就能夠?qū)庠词欠裾＿\(yùn)行進(jìn)行準(zhǔn)確判斷;（2）在中央控制器中配置參比池（儀器名稱），能夠?qū)ο到y(tǒng)零點(diǎn)給予準(zhǔn)確檢測和確定，并對檢測系統(tǒng)進(jìn)行重新標(biāo)定;（3）發(fā)射單元標(biāo)直器直接接收光纜，并對環(huán)境大氣進(jìn)行紅外檢測，同時(shí)選擇標(biāo)準(zhǔn)的廣電轉(zhuǎn)換模塊來有效轉(zhuǎn)換相關(guān)電信號，從而獲得到被檢測氣體濃度。

3.2.3譜線的選擇

在氣體濃度測量時(shí)，采用了Beer-Lambert定律，其需要結(jié)合氣體頻率范圍和種類特點(diǎn)來對吸收譜線進(jìn)行合理選擇。英國劍橋空氣動力研究實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了高分辨率遷移分子吸收數(shù)據(jù)庫（HITRAN），最開始僅包括7種分子吸收光譜數(shù)據(jù)，后來通過進(jìn)一步的研究和探索，在數(shù)據(jù)庫中包含的氣體分子譜線有上百種，針對不同分子，可以按照Beer-Lambert定律來對不同溫度和壓強(qiáng)下的氣體碰撞加寬系數(shù)、譜線線強(qiáng)度、躍遷能級及分子分割函數(shù)、吸收譜線位置等主要參數(shù)進(jìn)行查詢，以便后續(xù)吸收實(shí)驗(yàn)仿真和吸收光譜模擬工作的順利進(jìn)行。

在TDLAS技術(shù)應(yīng)用過程中，吸收譜線選取合理與否將會對其測量結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性與否產(chǎn)生決定性的影響。在選取譜線階段，要遵循如下原則：（1）結(jié)合待測氣體分子來選擇譜線。不同分子在頻域上的吸收譜線的分布范圍存在一定的差異性，這樣就需要對測量環(huán)境中潛在分子吸收譜線進(jìn)行觀察和記錄，進(jìn)而有效降低其他氣體分子帶來的不良影響。當(dāng)干擾譜線具有比較大的譜線線強(qiáng)度時(shí)，需要滿足|vA-vB |>10δv，并且要求譜線中心頻率差大于10倍半高寬。當(dāng)無法有效避開譜線時(shí)，就要保證待測氣體線強(qiáng)度大于干擾氣體線強(qiáng)度;（2）結(jié)合測量環(huán)境來對譜線進(jìn)行選擇。根據(jù)溫度和壓力的影響來對擬合線型函數(shù)和氣體吸收譜線的線強(qiáng)度進(jìn)行合理選擇，此時(shí)要對環(huán)境的溫度和壓力給予準(zhǔn)確測量;（3）根據(jù)激光器的波長調(diào)諧范圍來科學(xué)、合理選擇譜線。如果測量環(huán)境相同時(shí)，當(dāng)譜線線強(qiáng)度越大，則說明氣體分子對激光吸收作用越強(qiáng)，進(jìn)而有效提高其探測下限和測量精度。實(shí)際上，可調(diào)諧激光二極管檢測部分氣體對應(yīng)的可檢測下限和波段如表1所示。

4.結(jié)束語

綜上所述，在環(huán)境大氣檢測中，TDLAS技術(shù)是比較新型的一項(xiàng)技術(shù)，取得了比較好的應(yīng)用效果。與傳統(tǒng)大氣在線檢測技術(shù)對比得知，TDLAS技術(shù)具有高選擇性、高靈敏度、使用壽命長、激光器穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，而且不易受到外界環(huán)境因素影響，從而有效提高環(huán)境大氣檢測結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

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