西安 JNYQ-G-81 激光氣體在線分析儀系列

 一、半導體激光光譜吸收技術基本原理

半導體激光光譜吸收技術（diode laser absorption spectroscopy,DLAS）zui早于20世紀70年代提出。

初期的DLAS技術只是一種實驗室研究用技術，隨著半導體激光技術在20世紀80年代的迅速發展，DLAS技術開始被推廣應用于大氣研究、環境監測、醫療診斷和航空航天等領域。特別是20世紀90年代以來，基于DLAS技術的現場在線分析儀表已逐漸發展成為熟，與非色散紅外、電化學、色譜等傳統工業過程分析儀表相比，具有可以實現現場原位測量、無需采樣和預處理系統、測量準確、響應迅速、維護工作量小等顯著優勢，在工業過程分析和污染源監測領域發揮著越來越重要的作用。

1.朗伯-比爾定律

     DLAS技術本質上是一種光譜吸收技術，通過分析激光被氣體的選擇性吸收來獲得氣體的濃度。它與傳統紅外光譜吸收技術的不同之處在于，半導體激光光譜寬度遠小于氣體吸收譜線的展寬。因此，DLAS技術是一種高分辨率的光譜吸收技術，半導體激光穿過被測氣體的光強衰減可用朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律表述

 式中，I_V,₀ 和I_V 分別表示頻率V的激光入射時和經過壓力P，濃度X和光程L的氣體后的光強；S（T）表示氣體吸收譜線的強度；線性函數g（v-v₀）表征該吸收譜線的形狀。通常情況下氣體的吸收較小，可用式（4-2）來近似表達氣體的吸收。這些關系式表明氣體濃度越高，對光的衰減也越大。因此，可通過測量氣體對激光的衰減來測量氣體的濃度。

2.光譜線的線強

氣體分子的吸收總是和分子內部從低能態到高能態的能級躍遷相的。線強S（T）反映了躍遷過程中受激吸收、受激輻射和自發輻射之間強度的凈效果，是吸收光譜譜線zui基本的屬性，由能級間躍遷概率經及處于上下能級的分子數目決定。分子在不同能級之間的分布受溫度的影響，因此光譜線的線強也與溫度相關。如果知道參考線強S（T₀），其他溫度下的線強可以由下式求出

 式中，Q（T）為分子的配分函數；h為普朗克常數；c為光速；k為波爾茲曼常數；Eⁿ

為下能級能量。各種氣體的吸收譜線的線強S（T₀）可以查閱相關的光譜數據庫。

二、測量技術和特點

1.調制光譜檢測技術

      調制光譜檢測技術是一種被zui廣泛應用的可以獲得較高檢測靈敏度的DLAS技術。它通過快速調制激光頻率使其掃過被測氣體吸收譜線的定頻率范圍，然后采用相敏檢測技術測量被氣體吸收后透射譜線中的諧波分量來分析氣體的吸收情況。調制類方案有外調制和內調制兩種，外調制方案通過在半導體激光器外使用電光調制器等來實現激光頻率的調制，內調制方案則通過直接改變半導體激光器的注入工作電流來實現激光頻率的調制。由于使用的方便性，內調制方案得到更為廣泛的應用，下面簡單描述其測量原理。

在激光頻率掃描過氣體吸收譜線的同時，以一較高頻率正弦調制激光工作電流來調制激光頻率，瞬時激光頻率可表示為

 式中，（t）表示激光頻率的低頻掃描；a是正弦調制產生的頻率變化幅度；w為正弦調制頻率。透射光強可以被表達為下述Fourier級數的形式。

 令等于，則可按下式獲得n階Fourier諧波分量

 諧波分量可以使用相敏探測器（PSD）來檢測。調制光譜技術通過高頻調制來顯著降低激光光器噪聲（1/f噪聲）對測量的影響，同時可以通過給PSD設置較大的時間常數來獲得很窄帶寬的帶通濾波器，從而有效壓縮噪聲帶寬。因此，調制光譜技術可以獲得較好的檢測靈敏度。

3.技術特點和優勢

（1）不受背景氣體的影響

   傳統非色散紅外光譜吸收技術采用的光源譜帶很寬，其譜寬范圍內除了被測氣體的吸收譜線外，還有很多基他背景氣體的吸收譜線。因此，光原發出的光除了被待測氣體的多條吸收譜線吸收外還被一些背景氣體的吸收譜線吸收，從而導致測量的不準確性。

   而半導體激光吸收光譜技術中使用的半導體激光的譜寬小于0.0001nm，為上述紅外光源譜寬的1/106，遠小于被測氣體一條吸收譜線的譜寬。DLAS氣體濃度分析儀首先選擇被測氣體位于待定頻率的某一吸收譜線，通過調制激光器的工作電流使激光波長掃描過該吸收譜線，從而獲得如圖3所示的“單線吸收光譜”數據。

   在選擇該吸收譜線時，就保證在所選吸收譜線頻率附近約10倍譜線寬度范圍內無測量環境中背景氣體組分的吸收譜線，從而避免這些背景氣體組分對被測氣體的交叉吸收干擾，保證測量的準確性（例如圖3中位于6408cm^-1 頻率處的CO吸收譜線附近無H₂O吸收譜線，從而測理環境中水分不會對CO的測量產生干擾）。 

（2）不受粉塵與視窗污染的影響

    氣體的濃度由透射光強的二次諧波信號與直流信號的比值來決定。當激光傳輸光路中的粉塵或視窗污染產生光強衰減時，兩信號會等比例下降，從而保持比值不變。因此過程氣體中的粉塵和視窗污染對于儀器的測量結果沒有影響。實驗結果表明即使粉塵和視窗污染導致光透過率下降到1%，儀器示值誤差仍不超過3%。

（3）自動修正溫度：壓力對測量的影響

     一些工業過程氣體可能存在幾百攝氏度的溫度變化和幾個大氣壓的壓力變化。氣體溫度和壓力的變化會導致二次諧波信號波形的幅值與形狀發生相應的變化，從而影響測量的準確性。

   為了解決這個問題，DLAS技術中可增加溫度、壓力補償算法，只要將外部傳感器測得的氣體溫度，壓力信號輸入補償算法中，DLAS氣體濃度分析儀就能自動修正溫度、壓力變化對氣體濃度測量的影響，保證了測量的準確性。

激光氣體在線分析儀用來進行連續工業過程和氣體排放測量,適合于惡劣工業環境應用，如鋼鐵各種燃爐、鋁業和有色金屬、化工、石化、水泥、發電和垃圾焚燒等。

特點：

高分辨率（激光掃描頻率是傳統激光分析儀的幾倍）

模塊化設計，可現場模塊化替換，快速維護和維修

高光穿透能力，適合于高粉塵阻擋環境應用

性航空動力學原理插入管，適合于特高粉塵阻擋環境應用

無交叉干擾

無需采樣，現場在線直接測量

快速測量（響應時間可低于1秒）

結構緊湊、堅固耐用

JNYQ-G-8X為系列產品,根據應用要求不同,主要有以下幾種組態型號：

JNYQ-G-81（原位型）
　　激光原位測量，響應速度快，測量精度高
　　集成式正壓防爆設計，安全可靠
　　模塊化設計，可現場更換所有功能模塊，維護方便
　　智能化程度高、操作方便
JNYQ-G-82（旁路型）
　　激光旁路測量，測量精度高，抗*力強
　　光學非接觸測量，可直接測量高溫、強腐蝕性氣體
　　旁路處理裝置簡單、可靠，可直接安裝在過程管道處
　　全系統防爆，支持氣體溫度、壓力自動補償
JNYQ-G-83（分布型）
　　分布式激光測量，支持八個測量通道，高性價比
　　測量通道獨立激光測量模塊，可靠性高
　　網絡化集中顯示和控制，監控方便

：張偉芳      

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