关注我们，为您推送更多最新资讯。
章导读
化工、矿业生产过程中产生的有毒、有害、易燃、易爆气体不仅会造成严重环境污染，更是生产、作业过程中的重大安全隐患，因此“痕量气体检测”在排放物监测中具有极其重要的意义。近年来，随着石油、化工等行业朝着智能化和数字化的方向发展，相关产业对易燃易爆气体的实时精准监测的需求愈加迫切。
来自中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的王强副研究员及其团队提出了一种基于可调谐二极管激光吸收光谱 (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS) 的远程多痕量气体传感器，并将研究成果发表在Sensors 期刊上。
研究过程与结果
如图1所示，该气体传感器采用了归一化波长调制技术，利用二次谐波解调待测气体的吸收光谱信号以提高系统灵敏度，并将二次谐波归一化到对应的一次谐波以消除光在远程传输中的功率波动造成的干扰，最后结合频分复用技术实现了对多种痕量气体的远程实时监测。
“归一化波长调制技术用于提升传感灵敏度与稳定性”
基于波长调制 (WMS, Wavelength Modulation Spectroscopy) 的气体传感器通常通过波长调制技术将高频调制叠加到低频扫描来驱动半导体激光器，同时利用独立的数字锁相放大器 (LIA, Lock-in Amplifier) 提取待测气体吸收光谱的二次谐波信号，能够有效抑制噪声提高系统信噪比，适用于痕量气体的检测。解调得到的二次谐波信号可直接用于计算待测气体信息，其幅值与耦合到光电探测器上的光功率成正比。
然而，这种基于TDLAS-WMS的传感器在对易燃易爆及有毒气体监测时，光功率容易受到光纤损耗、光源波动等因素的干扰，从而影响测量结果的稳定性。通过将解调后的二次谐波信号归一化到同一时域光信号对应的一次谐波上，能够消除光功率变化对检测结果的影响，进而提高系统的稳定性，图2为同一浓度气体在不同光功率下的归一化谐波信号。
“基于频分复用技术的多组分检测”
为了将归一化波长调制技术扩展到多组分同时测量，研究团队采用了频分复用技术将具有不同调制频率的激光组合成一束来探测目标区域的气体分子。如图3所示，展示了组合后的激光被不同气体分子吸收情况，基于LabVIEW的数字锁相放大器可以在频域上准确地分离并提取不同待测气体的一次谐波和二次谐波信息，并在各自的调制频率上进行解调，最终获得归一化的谐波信息。
“气体泄露模拟实验”
为评价该传感系统在实际应用中的性能，研究团队对CH4与C2H2两种气体同时泄露的情况进行了模拟，并通过两个质量流量计控制泄露的速率。将开放式探头安装在工作区，采用3 km光纤将光谱信号传输至监测区，获得工作区气体浓度随时间变化的实时变化曲线。实验结果如图4所示，结果表明该传感系统的监测曲线变化趋势与泄露情况相吻合，证实该方法在多气体远程实时监测应用中具有较高的实用性。
研究总结
该研究开发的激光光谱传感系统结合了归一化波长调制技术和频分复用技术，可实时对不同种类气体在各自对应频率下进行远程无干扰解调，获取气体浓度变化信息，并具有较高的抗干扰能力和稳定性。此系统为多种场合下易燃、易爆、有毒、有害痕量气体的监测提供了一种可靠的技术方案，并有望在安全生产智能监控 络的构建中发挥巨大作用。
原 撰稿人：金 玲
所属机构：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
声明：本站部分 章内容系出于传递信息之目的源自于第三方 站转载，行业企业、终端用户投稿。若对稿件内容有任何疑问或质疑，请立即与本 站联系，本 站将迅速给予回应并第一时间做出处理（联系邮箱：jinwei@zod.com.cn）。