基于TDLAS 的近紅外甲烷高靈敏檢測技術

劉海芹，徐睿，，王振翔，趙天琦，趙春柳，，石巖，，陳亮

（1 中國計量大學 光學與電子科技學院，杭州 310018） （2 中國計量大學 國家市場監管重點實驗室（光傳感與圖像計量），杭州 310018）

0 引言

甲烷（CH4）是一種無色、無味、易燃、易爆氣體，在自然界分布廣泛，是天然氣的主要成分［1］。在煤礦開采，天然氣輸送、存儲及使用過程中，如沒有儀器檢測，甲烷氣體泄露的隱患將很難被發現，當空氣中的甲烷濃度達到5%～16%時，任何熱源或明火都可能引發爆炸事故，造成嚴重的生命和財產損失［2］。此外，甲烷作為全球第二大溫室氣體，雖然在大氣中的含量遠低于二氧化碳，但因其吸收紅外線的能力遠強于二氧化碳，同量甲烷的溫室效應是二氧化碳的幾十倍［3-4］。因此，設計一種能夠實時檢測甲烷氣體濃度和監測甲烷泄露的裝置以及時采取應對措施，顯得尤為重要［5］。

隨著半導體激光器的發展，激光光譜檢測的成本已經顯著降低。其中，可調諧二極管激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）技術具有便捷高效、選擇性高、響應時間快、對復雜環境適應性強等優點［6］，是一種可以通過追蹤分子的紅外吸收光譜獲得特征參數的重要氣體分析手段。近年來，基于TDLAS 法測量甲烷氣體含量的報道不斷涌現［7］。2017 年HE Q 等［8］設計一種以0.8 m 長的空心光子晶體光纖作為氣體吸收池的近紅外甲烷檢測系統，該系統在平均0.1 s 的時間內實現了8.7 ppm（10-6）的檢測下限。2019 年SHAO L 等［9］使用單個2.3 μm 的分布反饋（Distributed Feedback， DFB）激光器同時監測大氣中的一氧化碳和甲烷氣體，根據Allan 方差，在122 s 時一氧化碳的最小檢測限為0.73 ppb（10-9），在137 s 時甲烷的最小檢測限為36 ppb，并進行了48 h 原位測量驗證。……