痕量有害氣體檢測的專利技術(shù)發(fā)展綜述

陳紫容

摘 要：本文主要綜述了痕量有害氣體檢測的專利技術(shù)發(fā)展過程，主要從反應(yīng)測定原理，測定裝置及反應(yīng)測定組分方面論述了痕量有害氣體檢測的專利技術(shù)發(fā)展歷程。具體從化學(xué)反應(yīng)測定到激光吸收測定，從激光吸收測定到可調(diào)諧激光測定，從單組分測定到多組分同時測定，從氣體池測定到氣體遙感測定。

關(guān)鍵詞：氣體檢測；化學(xué)反應(yīng)；激光吸收；單組分；多組分；遙感

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.233

當(dāng)前環(huán)境污染日益嚴(yán)重，如全球氣候變暖和臭氧層的破壞，酸雨、光化學(xué)煙霧等。環(huán)境污染使得大量對生態(tài)環(huán)境和人類健康威脅大的有毒有害氣體日益增加，其中，排放量大的有毒有害氣體主要有：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）等溫室氣體，氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）、鹵代烴、揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）等有毒有害氣體，它們的濃度主要在ppt-ppm量級范圍內(nèi)。因此，痕量有害氣體的檢測對于生態(tài)環(huán)境保護(hù)和人類健康具有至關(guān)重要的意義。本文對痕量有害氣體檢測的專利發(fā)展歷程進(jìn)行如下綜述。

1 由化學(xué)反應(yīng)測定到激光吸收測定

傳統(tǒng)的采用化學(xué)反應(yīng)測量室內(nèi)痕量有害氣體濃度的裝置（公開號：CN87209935U[1]），室內(nèi)痕量有害氣體與檢測元件中的化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)，反應(yīng)完成后，通過反應(yīng)產(chǎn)物的量來判斷痕量有害氣體的濃度。雖然上述裝置原理簡單，但是，由于化學(xué)反應(yīng)通常進(jìn)行的比較緩慢，導(dǎo)致測量時間長，且痕量氣體的化學(xué)反應(yīng)測定準(zhǔn)確度及精度較差，不利于環(huán)境中痕量有害氣體的連續(xù)測量。

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所于2006年5月17日申請了一種采用激光探測室內(nèi)有害氣體濃度的系統(tǒng)，其公開號為：CN101074923A[2]，其采用分光鏡將激光器的輸出激光分為兩束，其中一束輸出光對準(zhǔn)室內(nèi)痕量有害氣體通道的入口，并在室內(nèi)痕量有害氣體通道光路上設(shè)置第一光電探測器，另外一束輸出光的光路上設(shè)置第二光電探測器，采第一光電探測器和第二光電探測器均與比較電路相連，比較電路與顯示器相連。本裝置采用擴(kuò)束和分光監(jiān)測的方法，克服了采用化學(xué)反應(yīng)測量痕量有害氣體濃度的上述缺陷。

2 由激光吸收測定到可調(diào)諧激光測定

2006年10月17日，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所申請了一種新型節(jié)點(diǎn)式瓦斯?jié)舛葘?shí)時監(jiān)測方法傳感器，公開號為：CN1945287A[3]，采用近紅外波段DFB半導(dǎo)體激光器，采用單模光纖功率耦合器將DFB半導(dǎo)體激光器輸出的激光分成多束，采用光纖將輸出的激光導(dǎo)入到井下多個光纖氣體吸收池，采用光纖將經(jīng)氣體吸收后的激光導(dǎo)出到輸入光開關(guān)，經(jīng)過校準(zhǔn)池的選擇信號入射到探測器上，將波長調(diào)制技術(shù)和二次諧波技術(shù)相結(jié)合，達(dá)到高靈敏、高分辨、無干擾快速檢測瓦斯?jié)舛鹊哪康摹＠帽尘肮鈴?qiáng)信號擬合消除光強(qiáng)波動對檢測帶來的影響。

3 由單組分氣體測定到多組分氣體測定

2008年11月14日，香港理工大學(xué)申請了一種變壓器故障氣體檢測系統(tǒng)及方法，公開號為：101738382A[4]，光纖氣體傳感器利用三個分布反饋式（DFB）激光器作為光源。三個分布反饋式激光器可分別輸出甲烷、乙烷及乙炔的氣體吸收特征波長譜線。通過改變DFB激光器的工作溫度使得DFB激光器輸出光的中心波長掃描過特定的氣體吸收譜線（例如，甲烷、乙烷及乙炔氣體），同時采用FPGA產(chǎn)生頻率為f的正弦信號作電流調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)諧波檢測。經(jīng)調(diào)制的輸出光通過光隔離器傳輸至光纖氣體傳感探頭，再由多通道光探測器對其進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。電信號經(jīng)過多通道窄帶帶通濾波器進(jìn)行濾波、放大，信號的頻率為電流調(diào)制頻率的一倍或者兩倍，即為一次或二次諧波信號。一次或二次諧波信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，再由FPGA進(jìn)行鎖相放大檢測，最后由工控機(jī)對經(jīng)過鎖相放大的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而判斷出變壓器內(nèi)三種氣體的濃度組分。

4 由氣體池測定到氣體遙感測定

2012年8月20日，杭州電子科技大學(xué)申請了一種基于量子級聯(lián)激光器的汽車尾氣遙感檢測系統(tǒng)和方法，公開號為：CN102798609A[5]。任意函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的信號輸入激光器電流脈沖驅(qū)動模塊，量子級聯(lián)激光器在激光器電流脈沖驅(qū)動模塊的驅(qū)動下產(chǎn)生中紅外或遠(yuǎn)紅外的激光，中紅外至遠(yuǎn)紅外經(jīng)過行駛中的汽車尾氣排放區(qū)域后通過斬波器得到調(diào)制信號，熱釋電傳感器模塊探測經(jīng)過調(diào)制的中紅外或遠(yuǎn)紅外的激光信號，同時熱釋電傳感器將探測得到的信號輸入鎖相放大器運(yùn)算，鎖相放大器的輸出數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)處理分析方法將汽車尾氣中不同排放產(chǎn)物的含量計(jì)算出來。

近年來，痕量氣體檢測技術(shù)發(fā)展迅速，檢測組分逐漸增多，檢測濃度限逐漸降低，檢測速度及準(zhǔn)確度逐漸提高，為環(huán)境中痕量有害氣體的快速檢測奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉討米.CN 87209935U[P].1988（09）.

[2]中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所.CN 101074923A[P].2007（11）.

[3]中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所.CN 1945287A[P].2007（04）.

[4]香港理工大學(xué).CN 101738382A[P].2010（06）.

[5]杭州電子科技大學(xué).CN 102798609A[P].2012（11）.