供应激光氧分析仪-西安聚能仪器SP320S型激光气体分析仪

 一、半导体激光光谱吸收技术基本原理

半导体激光光谱吸收技术（diode laser absorption spectroscopy,DLAS）最早于20世纪70年代提出。初期的DLAS技术只是一种实验室研究用技术，随着半导体激光技术在20世纪80年代的迅速发展，DLAS技术开始被推广应用于大气研究、环境监测、医疗诊断和航空航天等领域。特别是20世纪90年代以来，基于DLAS技术的现场在线分析仪表已逐渐发展成为熟，与非色散红外、电化学、色谱等传统工业过程分析仪表相比，具有可以实现现场原位测量、无需采样和预处理系统、测量准确、响应迅速、维护工作量小等显著优势，在工业过程分析和污染源监测领域发挥着越来越重要的作用。
1.朗伯-比尔定律
DLAS技术本质上是一种光谱吸收技术，通过分析激光被气体的选择性吸收来获得气体的浓度。它与传统红外光谱吸收技术的不同之处在于，半导体激光光谱宽度远小于气体吸收谱线的展宽。因此，DLAS技术是一种高分辨率的光谱吸收技术，半导体激光穿过被测气体的光强衰减可用朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律表述
 式中，I_V,₀ 和I_V 分别表示频率V的激光入射时和经过压力P，浓度X和光程L的气体后的光强；S（T）表示气体吸收谱线的强度；线性函数g（v-v₀）表征该吸收谱线的形状。通常情况下气体的吸收较小，可用式（4-2）来近似表达气体的吸收。这些关系式表明气体浓度越高，对光的衰减也越大。因此，可通过测量气体对激光的衰减来测量气体的浓度。
2.光谱线的线强气体分子的吸收总是和分子内部从低能态到高能态的能级跃迁相联系的。线强S（T）反映了跃迁过程中受激吸收、受激辐射和自发辐射之间强度的净效果，是吸收光谱谱线最基本的属性，由能级间跃迁概率经及处于上下能级的分子数目决定。分子在不同能级之间的分布受温度的影响，因此光谱线的线强也与温度相关。如果知道参考线强S（T₀），其他温度下的线强可以由下式求出
 式中，Q（T）为分子的配分函数；h为普朗克常数；c为光速；k为波尔兹曼常数；Eⁿ为下能级能量。各种气体的吸收谱线的线强S（T₀）可以查阅相关的光谱数据库。
 二、测量技术和特点
1.调制光谱检测技术调制光谱检测技术是一种被最广泛应用的可以获得较高检测灵敏度的DLAS技术。它通过快速调制激光频率使其扫过被测气体吸收谱线的定频率范围，然后采用相敏检测技术测量被气体吸收后透射谱线中的谐波分量来分析气体的吸收情况。调制类方案有外调制和内调制两种，外调制方案通过在半导体激光器外使用电光调制器等来实现激光频率的调制，内调制方案则通过直接改变半导体激光器的注入工作电流来实现激光频率的调制。由于使用的方便性，内调制方案得到更为广泛的应用，下面简单描述其测量原理。在激光频率扫描过气体吸收谱线的同时，以一较高频率正弦调制激光工作电流来调制激光频率，瞬时激光频率可表示为
 式中，（t）表示激光频率的低频扫描；a是正弦调制产生的频率变化幅度；w为正弦调制频率。透射光强可以被表达为下述Fourier级数的形式。
 令等于，则可按下式获得n阶Fourier谐波分量
 谐波分量可以使用相敏（PSD）来检测。调制光谱技术通过高频调制来显著降低激光光器噪声（1/f噪声）对测量的影响，同时可以通过给PSD设置较大的时间常数来获得很窄带宽的带通滤波器，从而有效压缩噪声带宽。因此，调制光谱技术可以获得较好的检测灵敏度。
3.技术特点和优势（1）不受背景气体的影响传统非色散红外光谱吸收技术采用的光源谱带很宽，其谱宽范围内除了被测气体的吸收谱线外，还有很多基他背景气体的吸收谱线。因此，光原发出的光除了被待测气体的多条吸收谱线吸收外还被一些背景气体的吸收谱线吸收，从而导致测量的不准确性。而半导体激光吸收光谱技术中使用的半导体激光的谱宽小于0.0001nm，为上述红外光源谱宽的1/106，远小于被测气体一条吸收谱线的谱宽。DLAS气体浓度分析仪首先选择被测气体位于待定频率的某一吸收谱线，通过调制激光器的工作电流使激光波长扫描过该吸收谱线，从而获得如图3所示的“单线吸收光谱”数据。在选择该吸收谱线时，就保证在所选吸收谱线频率附近约10倍谱线宽度范围内无测量环境中背景气体组分的吸收谱线，从而避免这些背景气体组分对被测气体的交叉吸收干扰，保证测量的准确性（例如图3中位于6408cm^-1 频率处的CO吸收谱线附近无H₂O吸收谱线，从而测理环境中水分不会对CO的测量产生干扰）。 （2）不受粉尘与视窗污染的影响气体的浓度由透射光强的二次谐波信号与直流信号的比值来决定。当激光传输光路中的粉尘或视窗污染产生光强衰减时，两信号会等比例下降，从而保持比值不变。因此过程气体中的粉尘和视窗污染对于仪器的测量结果没有影响。实验结果表明即使粉尘和视窗污染导致光透过率下降到1%，仪器示值误差仍不超过3%。（3）自动修正温度，压力对测量的影响一些工业过程气体可能存在几百摄氏度的温度变化和几个大气压的压力变化。气体温度和压力的变化会导致二次谐波信号波形的幅值与形状发生相应的变化，从而影响测量的准确性。为了解决这个问题，DLAS技术中可增加温度、压力补偿算法，只要将外部传感器测得的气体温度，压力信号输入补偿算法中，DLAS气体浓度分析仪就能自动修正温度、压力变化对气体浓度测量的影响，保证了测量的准确性。
 
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