環境大氣檢測中TDLAS技術的應用思路分析

張明

摘要：本文主要對TDLAS技術概念及優勢進行分析，重點闡述了在環境大氣檢測中TDLAS技術應用思路，其不僅可以充分發揮TDLAS技術的優勢，而且還可以提高環境大氣檢測水平。通過對TDLAS技術進行研究，以期為環境大氣檢測工作的開展提供可靠保障，創造出最大化的經濟與社會效益。

關鍵詞：環境大氣檢測;TDLAS技術;應用思路

1.TDLAS技術概述

1.1TDLAS技術概念

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

1.2TDLAS技術優勢

在環境大氣檢測中TDLAS技術所具有的優勢如下：（1）該技術能夠同時測量多組分;（2）該技術呈現出較快的反應速度和較高的靈敏度，可以在保證靈敏度的同時，精確控制時間分辨率，以確保其能夠達到毫秒量級的精確度;（3）該技術具有極高選擇性，且所選擇的光譜技術分辨率較高，可以避免其他氣體產生的干擾;（4）該技術所選擇的儀器設備并未配置運動元件，不僅有利于維護，而且還具備較高的可靠性;（5）該技術可以對測量結果進行自動修正，進而避免了外界溫度、壓力等環境因素變化產生的不良影響;（6）該技術無需為采樣提供預處理，不僅可以對生產各流程的有效控制，而且還能夠實現快速響應;（7）在測試儀器內部，該技術需要對標定腔進行科學、合理設置，并且在具體檢測工作中，能夠達到定時自動標定，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且可以調諧的激光來對吸收譜線進行掃描，并借助電流和溫度來調節半導體激光器產生的中心波長，并使其處于吸收譜線中心波長位置，然后在外部對調諧電流信號進行加載，以保證在吸收峰附近實現對激光器的來回掃描。

直接吸收法的優點是實驗操作簡單，無需進行標定，而且吸收譜線直觀可見。然而因為TDLAS技術運行過程中會遇到噪聲影響，進而在低濃度測量環境中導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。在直接吸收法應用階段，通常會輔以多次反射吸收池技術，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。但直接吸收法應用過程中所存在的噪聲問題并未得到有效解決，同時因為信噪比過低，將會影響測量系統的精準性和靈敏度。

2.2波長調制法

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

在波長調制法應用過程中，常見的調制技術有頻率調制光譜技術和波長調制光譜技術兩種。通過對這兩種調制技術進行對比可以發現，波長調制技術所選擇的調制頻率遠低于吸收譜線的半高寬，其范圍在1kHz-100 kHz。而頻率調制技術采用的調制頻率大于譜線半高寬。在實際應用階段，頻率調制技術對高頻信號探測器的要求比較高，且在確保靈敏度的基礎上波長調制技術還可以有效節約實驗成本。

3. 在環境大氣檢測中TDLAS技術的應用情況

3.1TDLAS技術的應用原理

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

3.2TDLAS技術在環境大氣檢測中應用要點

3.2.1檢測過程

在環境大氣檢測工作中，要結合實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，并結合實際情況來對溫度進行調節，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行掃描檢測，收集“單線吸收光譜”數據，以此來掌握吸收光譜“單線”狀態，同時，也能夠避免背景氣體組分對被檢測氣體成本產生干擾，進而保證檢測結果的真實性和有效性。在具體應用階段，借助試驗樣機來對不同體積分數待測氣體進行測試，形成探測器光功率比值和吸收峰二次諧波信號強度與氣體體積分數間相匹配的數據表，將這部分數據錄入ExceL中擬合處理，從而得到對應的關系式，最后將吸收峰二次諧波信號強度和探測器光功率比值導人關系式中，就可以計算出被測氣體體積分數。

3.2.2吸收光結構

在分析和探究TDLAS技術工作原理后，可以在光路中對光源進行劃分，具體如下：（1）如果環境大氣檢測器中接收到光纖時，通過觀察激光強度后，就能夠對光源是否正常運行進行準確判斷;（2）在中央控制器中配置參比池（儀器名稱），能夠對系統零點給予準確檢測和確定，并對檢測系統進行重新標定;（3）發射單元標直器直接接收光纜，并對環境大氣進行紅外檢測，同時選擇標準的廣電轉換模塊來有效轉換相關電信號，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，采用了Beer-Lambert定律，其需要結合氣體頻率范圍和種類特點來對吸收譜線進行合理選擇。英國劍橋空氣動力研究實驗室研發了高分辨率遷移分子吸收數據庫（HITRAN），最開始僅包括7種分子吸收光譜數據，后來通過進一步的研究和探索，在數據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下的氣體碰撞加寬系數、譜線線強度、躍遷能級及分子分割函數、吸收譜線位置等主要參數進行查詢，以便后續吸收實驗仿真和吸收光譜模擬工作的順利進行。

在TDLAS技術應用過程中，吸收譜線選取合理與否將會對其測量結果的真實性和準確性與否產生決定性的影響。在選取譜線階段，要遵循如下原則：（1）結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境中潛在分子吸收譜線進行觀察和記錄，進而有效降低其他氣體分子帶來的不良影響。當干擾譜線具有比較大的譜線線強度時，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。當無法有效避開譜線時，就要保證待測氣體線強度大于干擾氣體線強度;（2）結合測量環境來對譜線進行選擇。根據溫度和壓力的影響來對擬合線型函數和氣體吸收譜線的線強度進行合理選擇，此時要對環境的溫度和壓力給予準確測量;（3）根據激光器的波長調諧范圍來科學、合理選擇譜線。如果測量環境相同時，當譜線線強度越大，則說明氣體分子對激光吸收作用越強，進而有效提高其探測下限和測量精度。實際上，可調諧激光二極管檢測部分氣體對應的可檢測下限和波段如表1所示。

4.結束語

綜上所述，在環境大氣檢測中，TDLAS技術是比較新型的一項技術，取得了比較好的應用效果。與傳統大氣在線檢測技術對比得知，TDLAS技術具有高選擇性、高靈敏度、使用壽命長、激光器穩定性高等特點，而且不易受到外界環境因素影響，從而有效提高環境大氣檢測結果的真實性和準確性。

參考文獻：

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