痕量有害气体检测的专利技术发展综述

陈紫容

摘 要：本文主要综述了痕量有害气体检测的专利技术发展过程，主要从反应测定原理，测定装置及反应测定组分方面论述了痕量有害气体检测的专利技术发展历程。具体从化学反应测定到激光吸收测定，从激光吸收测定到可调谐激光测定，从单组分测定到多组分同时测定，从气体池测定到气体遥感测定。

关键词：气体检测；化学反应；激光吸收；单组分；多组分；遥感

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.233

当前环境污染日益严重，如全球气候变暖和臭氧层的破坏，酸雨、光化学烟雾等。环境污染使得大量对生态环境和人类健康威胁大的有毒有害气体日益增加，其中，排放量大的有毒有害气体主要有：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）等温室气体，氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）、卤代烃、挥发性有机物（VOCs）等有毒有害气体，它们的浓度主要在ppt-ppm量级范围内。因此，痕量有害气体的检测对于生态环境保护和人类健康具有至关重要的意义。本文对痕量有害气体检测的专利发展历程进行如下综述。

1 由化学反应测定到激光吸收测定

传统的采用化学反应测量室内痕量有害气体浓度的装置（公开号：CN87209935U[1]），室内痕量有害气体与检测元件中的化学物质反应，反应完成后，通过反应产物的量来判断痕量有害气体的浓度。虽然上述装置原理简单，但是，由于化学反应通常进行的比较缓慢，导致测量时间长，且痕量气体的化学反应测定准确度及精度较差，不利于环境中痕量有害气体的连续测量。

中国科学院半导体研究所于2006年5月17日申请了一种采用激光探测室内有害气体浓度的系统，其公开号为：CN101074923A[2]，其采用分光镜将激光器的输出激光分为两束，其中一束输出光对准室内痕量有害气体通道的入口，并在室内痕量有害气体通道光路上设置第一光电探测器，另外一束输出光的光路上设置第二光电探测器，采第一光电探测器和第二光电探测器均与比较电路相连，比较电路与显示器相连。本装置采用扩束和分光监测的方法，克服了采用化学反应测量痕量有害气体浓度的上述缺陷。

2 由激光吸收测定到可调谐激光测定

2006年10月17日，中国科学院安徽光学精密机械研究所申请了一种新型节点式瓦斯浓度实时监测方法传感器，公开号为：CN1945287A[3]，采用近红外波段DFB半导体激光器，采用单模光纤功率耦合器将DFB半导体激光器输出的激光分成多束，采用光纤将输出的激光导入到井下多个光纤气体吸收池，采用光纤将经气体吸收后的激光导出到输入光开关，经过校准池的选择信号入射到探测器上，将波长调制技术和二次谐波技术相结合，达到高灵敏、高分辨、无干扰快速检测瓦斯浓度的目的。利用背景光强信号拟合消除光强波动对检测带来的影响。

3 由单组分气体测定到多组分气体测定

2008年11月14日，香港理工大学申请了一种变压器故障气体检测系统及方法，公开号为：101738382A[4]，光纤气体传感器利用三个分布反馈式（DFB）激光器作为光源。三个分布反馈式激光器可分别输出甲烷、乙烷及乙炔的气体吸收特征波长谱线。通过改变DFB激光器的工作温度使得DFB激光器输出光的中心波长扫描过特定的气体吸收谱线（例如，甲烷、乙烷及乙炔气体），同时采用FPGA产生频率为f的正弦信号作电流调制，从而实现谐波检测。经调制的输出光通过光隔离器传输至光纤气体传感探头，再由多通道光探测器对其进行光电转换。电信号经过多通道窄带带通滤波器进行滤波、放大，信号的频率为电流调制频率的一倍或者两倍，即为一次或二次谐波信号。一次或二次谐波信号经A/D转换后，再由FPGA进行锁相放大检测，最后由工控机对经过锁相放大的数据进行分析，从而判断出变压器内三种气体的浓度组分。

4 由气体池测定到气体遥感测定

2012年8月20日，杭州电子科技大学申请了一种基于量子级联激光器的汽车尾气遥感检测系统和方法，公开号为：CN102798609A[5]。任意函数发生器产生的信号输入激光器电流脉冲驱动模块，量子级联激光器在激光器电流脉冲驱动模块的驱动下产生中红外或远红外的激光，中红外至远红外经过行驶中的汽车尾气排放区域后通过斩波器得到调制信号，热释电传感器模块探测经过调制的中红外或远红外的激光信号，同时热释电传感器将探测得到的信号输入锁相放大器运算，锁相放大器的输出数据到计算机，计算机通过数据处理分析方法将汽车尾气中不同排放产物的含量计算出来。

近年来，痕量气体检测技术发展迅速，检测组分逐渐增多，检测浓度限逐渐降低，检测速度及准确度逐渐提高，为环境中痕量有害气体的快速检测奠定基础。

参考文献：

[1]刘讨米.CN 87209935U[P].1988（09）.

[2]中国科学院半导体研究所.CN 101074923A[P].2007（11）.

[3]中国科学院安徽光学精密机械研究所.CN 1945287A[P].2007（04）.

[4]香港理工大学.CN 101738382A[P].2010（06）.

[5]杭州电子科技大学.CN 102798609A[P].2012（11）.