開放型TDLAS-WMS技術CO2痕量氣體檢測

趙成龍，黃丹飛，劉智穎，王昱琪，鐘艾琦，張耹銘，孟凡宏

（長春理工大學光電工程學院，長春130022）

0 引言

可調諧半導體激光吸收光譜技術（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）具有非接觸、選擇性強、靈敏度高、響應速度快等優點［1］。20世紀70年代，美國科學家HINKLEY E D 和REID J 首次提出TDLAS 用于汽車尾氣濃度檢測［2］。BOLSHOV M A 等提出TDLAS 技術用于快速燃燒氣體診斷［3］。PARKER R 設計了TDLAS 氣體傳感器應用在太空發射系統中［4］。陳文亮等基于TDLAS 技術設計逃逸氨檢測系統［5］。信豐鑫等采用開放光路TDLAS 測量20 m 和110 m 垂直路徑上的CO2柱濃度，證明了開放光路TDLAS 測量CO2柱濃度和監測碳排放的可行性［6］。TDLAS 波長調制技術在微生物呼出氣體檢測、皮膚移植成活率痕量氣體檢測、特定疾病診斷和監測人體代謝狀態等生物醫療診斷領域發揮著重要的作用［7-8］。TDLAS-WMS技術可實現對微生物如結核分枝桿菌、大腸桿菌呼出氣體濃度檢測判斷其生長情況，用于診斷病因及藥敏檢測系統測試。被測氣體為結核分枝桿菌呼吸產生的CO2氣體，其CO2分子占總被測樣品的百分比很小，因此采用TDLAS 系統進行CO2痕量氣體濃度檢測。

TDLAS 技術主要有直接吸收光譜技術（Direct Absorption Spectroscopy，DAS）和波長調制光譜吸收技術（Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS）［9］，在WMS 技術中，采用低頻的掃描鋸齒波和高頻的正弦波共同調諧，使激光器發出波長在待測氣體吸收峰附近［10］。WMS 技術可消除激光器本身和檢測時溫度、電流帶來的低頻噪聲干擾，相比DAS 技術易于提取豐富的諧波信息，提高檢測系統的信噪比。因此，采用TDLAS-WMS技術進行CO2痕量氣體濃度檢測。TDLAS 氣體檢測裝置常用的是分布式反饋……