紅外光譜技術在氣體檢測中的應用

張朋 方雁群 李冬

摘 要：近些年紅外混合氣體檢測已廣泛應用于諸多領域，包括大氣化學分析、工業過程控制、農業生產管理，城市環境質量檢測、生命科學研究等。目前，氣體檢測的方法有很多種，其中較為普遍的是采用紅外光譜技術進行氣體檢測分析。它克服了傳統氣體檢測分析方法設備易老化，抗干擾能力弱的弊端，優點是反應速度快，測量結果真實可靠，因此具有良好的發展前景。

關鍵詞：紅外光譜技術;氣體檢測;應用

1 紅外光譜吸收原理

眾所周知，光是由許多單一顏色的光組成的，每種氣體都具有一種性質：可以吸收對應頻率的紅外光能量，氣體吸收紅外光能量中頻率最高的被稱為氣體的特征吸收頻率。當光線穿透氣體時，氣體吸收特征頻率譜線光，導致光的能量下降。研究表明，每種氣體在紅外輻射波段都有不同數目的特征吸收譜線。

由于特征頻率是由一定頻率范圍內的光組成的，因此特征吸收頻率具有一定的帶寬，并且帶寬中每個頻率被吸收的量不盡相同。通過相應的吸收模型和計算公式可以計算出紅外光線穿過氣體時被吸收能量的多少。氣體的濃度變化、光線穿過氣體時所走的路程、光線能量衰減的程度，三者的關系符合光吸收基本定律。

2 紅外光譜技術的優點

2.1選擇性好

由于每種氣體都具有特定的紅外吸收頻率，因此在檢測混合氣體時，由于各種氣體都具有各自的特征頻率光譜，彼此之間互相隔離，互不干擾，使檢測混合氣體中的某種特定的氣體成為可能。

2.2反應靈敏，可靠性高

采用傳統的檢測方法做氣體檢測時，開啟檢測系統后往往無法直接工作，而是需要經過一段比較長的預熱時間。而采用紅外光譜技術的氣體檢測設備，在開機后短時間內就可以進行工作。即使氣體濃度僅僅發生微小變化，它也可以及時檢測到，反應十分靈敏。在實際檢測過程中，基于某些檢測方法設計的檢測系統很容易因為設備發熱等因素，導致測量的準確性和檢測出的數據不可靠。而采用紅外光譜吸收技術設計的氣體檢測設備，由于它是通過光信號來工作的，所以不會引起系統溫度升高等情況的出現，測量的數據不受干擾因素的影響，測量的穩定性和可靠性較高。

2.3安全性高，可操作性強

紅外光譜技術設計的檢測設備采用的是光信號，與傳統設備采用電信號相比，在煤礦等易燃易爆氣體集聚的場合，不會引起氣體燃燒和爆炸等情況的發生，具有較高的防爆性和安全性。由于每種儀器都具有各自的適用范圍，當氣體濃度超過一定數值時容易引起元件的老化和中毒等情況，使測量結果出現偏差。采用紅外光譜技術來檢測氣體，可以避免這些情況的出現。而且采用紅外光譜技術產生的干擾信號弱，系統的信噪比較高。除此之外，系統具有靈敏度自動補償功能和零點自動補償功能，因此不需要定時校準，可操作性較強。

3 紅外光譜檢測技術的應用

3.1直接吸收光譜技術

直接吸收光譜技術應用時間比較早，應用范圍比較廣。它是以朗伯比爾定律為原理研制出的檢測方法。由于氣體與光發生作用的路徑長度與氣體對光的吸收成正比關系。因此，光和氣體作用的路徑越長，被氣體吸收的光就會越多，探測的反應就會越快，測量的結果也更加可靠。隨著研究的進一步深入，直接吸收光譜技術從剛開始使用的單程光，逐漸發展到后來使用雙光程，到現在使用具有多次反射能力的長光程。多光程氣室分為懷特氣室、赫里歐氣室和散射反射鏡多光程氣室三種。多反射長光程氣室可以產生幾百次反射，得到的光程長度從幾十米到幾公里不等。在這樣的光程下，探測靈敏度得到進一步提升。

3.2光聲光譜技術

光聲光譜技術的原理是氣體在吸收光輻射的過程中會產生聲學波，它是根據光聲效應開發出來的檢測技術，所以可以利用它來檢測氣體。與其它的紅外光譜技術不同的是，光聲光譜技術是一個間接的檢測技術，它不直對整個過程進行檢測，而是探測氣體在吸收光的過程中引起的溫度和壓力的變化。由于氣體在吸收光的過程中，氣體的溫度會發生變化，從而導致壓力的變化或產生聲學波，光聲光譜技術可以利用這些因素的變化達到檢測氣體的目的。

4 地面氣體檢測應用分析

紅外光譜技術應用非常廣泛，但對多組分混合氣體的在線定量分析目前仍是國際上的研究難題之一，特別是涉及到具有同種分子基團、分子結構接近的氣體，更是如此。前文所述的紅外氣體檢測儀，由于無法解決混合烷烴類氣體檢測的難題，只可單一檢測到甲烷或重烴，或者檢測非烴類氣體（如CO2）。其主要原因如下：

①需要大量樣本集標定，建立定量分析模型難;

②目標氣中各烷烴成分的紅外吸收光譜嚴重交互疊加，有交叉干擾現象，定性識別難;③每種氣體的吸收光譜具有一定的非線性，尤其在非目標氣體干擾及環境變化時，微量氣體準確辨識難。

針對紅外光譜技術在錄井氣體檢測中存在的氣體交叉干擾問題，可采用一種基于可調諧激光二極管的吸收光譜法（TDLAS）來進行氣體檢測，以有效地解決這一問題。該方法同樣應用紅外吸收光譜技術原理，都是基于朗伯-比爾定律。不同之處在于，TDLAS方法是以可調諧半導體激光器作為光源，半導體激光器發射出特定波長的激光束穿過被測氣體時，被測氣體對激光束的吸收導致激光強度衰減，探測器探測到激光強度的衰減程度與被測氣體含量正相關。

傳統紅外光源光譜線寬很大，得到的吸收光譜除被測氣體吸收譜線外，還有很多背景氣體的吸收譜線，以多組分混合烷烴氣體為代表，這樣就會導致氣體交叉干擾。與傳統的紅外光譜吸收技術相比，可調諧半導體激光束線寬遠小于被測氣體單吸收譜線寬度和傳統紅外光源光譜線寬，具有“單線”特征，從根本上避免了氣體交叉干擾的問題，具有很高的準確度和可靠性，因而可以作為錄井氣體檢測下一步的研究方向。

隨著氣體分析技術、電子技術、精密加工工藝技術的快速發展，井下氣體檢測已經成為國內外主要發展方向。微電子機械系統（MEMS）技術的發展使儀器小型化、微型化成為可能，近年來國外已有關于微型色譜分析儀的報道，國內也有微型色譜分析儀的相關產品報道，標志著錄井井下氣體檢測技術向前邁出了重要一步。隨鉆氣體檢測技術正朝著井下檢測實時化、快速化、連續化方向發展。微型色譜分析儀主要由微型色譜柱和微型氣體檢測器組成。微型色譜柱可以實現對混合氣體各組分的分離，因此可以在氣體檢測前端配套使用，配合之后的微型氣體檢測器，實現多組分氣體的檢測。

5 結束語

近些年，紅外混合氣體檢測系統的光譜覆蓋范圍、光譜分辨率、系統響應時間等特性逐步改善。當前，太赫茲（THZ）等新技術使混合氣體檢測的范圍擴展到亞毫米波范圍，從而使混合檢測步入新階段（凝聚態物質和生物大分子），混合氣體檢測將圍繞THZ技術的應用展開，不僅對氣體的濃度進行檢測，還將對其結構、性質等做進一步分析。與此同時，紅外成像技術（CCD成像、多色探測等）和通信技術（中紅外光纖通訊、無線通訊等）等其他領域中成熟的技術，將有助于混合氣體檢測系統進行更廣泛的信息攝取。未來數年，混合氣體檢測所產生的數據量將會呈爆炸式增長趨勢，而目前興起的大數據處理技術會成為其有效的應對方案。然而，實現多種氣體的同時分析必然導致系統的復雜化，設計成本的增加，如何降低系統復雜度，降低成本，實現便攜式以至于微型化的“芯片”級設計，是將來迫切需要解決的問題。

參考文獻：

[1]譚秋林.紅外光學氣體傳感器及檢測系統[M].北京：機械工業出版社，2013：59-73.

[2]李黎，張宇，宋振宇，等.紅外光譜技術在氣體檢測中的應用[J].紅外，2011，28（9）：28-36.

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