基于吸收光谱技术的工业气体监测关键技术分析

余恭营

摘 要：随着当前我国科技水平的不断上升，国家综合国力的提高，在进行工业生产的过程中有关部门更加重视可持续发展的理念。工业生产能够产生大量的污染气体，不仅对大气产生严重危害，也影响到了人们的正常生存环境。本文我们基于此主要来探究如何采取有效措施来检测工业气体，为工业气体的处理奠定一定的基础。

关键词：吸收光谱；可调谐半导体激光；工业气体检测

在进行工业气体的检测过程中，通过可调谐半导体激光吸收光谱技术来进行检测能够有效的将气体的浓度、实时情况反映给有关部门，在目前的发展过程中，可调谐半导体激光吸收光谱得到了极为广泛的应用和探究，下面我们就主要来看一下吸光谱技术的主要理论基础等问题。

一、吸收谱线技术的理论基础

（一）气体分子的选择吸收

气体分子在吸收或者释放一定的电磁辐射之后，其自身的分子能级会发生质的变化，由原来的能级跃迁到新的能级，气体的选择吸收理论就是基于此提出的。其主要是指气体能够吸收不同波长的光，波长和气体分子的内部性质有着直接的关系，根据不同的气体分子所吸收的不同光我们就能够对确定气体的主要成分。这也为我们当前基于吸收光谱为原理的工业气体检测技术提供了一定的理论基础。

（二）光谱线的函数

前面我们通过不同的气体分子所吸收的不同波长的光的相关原理结合光谱线线性函数就能够有效的实现对工业气体的检测工作。光谱线线性函数主要是根据不同发光粒子所产生的不同辐射率来确定光谱线的宽度，根据光谱线的宽度来确定气体的主要成分。

二、基于吸收光谱技术的工业检测关键步骤分析

我们对当前吸收光谱技术在工业检测中的应用理论基础进行了系统的阐述，吸收光谱技术之所以能够应用到工业气体检测主要是由于气体分子的选择吸收以及光谱线线性函数二者的理论基础决定的。下面我们就主要来分析探究吸收光谱技术在工业气体检测过程中的几个关键步骤。

（一）吸收谱线的选择

我们在进行吸收谱线的选择过程中，需要合理的把握好不同气体的相关线宽问题，吸收谱线在选择的过程中一般需要选择信号强度比较高的，在吸收工业气体例如一氧化碳的过程中能够充分的吸收，使信号充分的表现出来。第二，在光谱线的选择上要尽可能的避免出现重复现象，有的气体浓度和气体性质类似，可能吸收谱线会出现重叠现象，以一氧化碳为例，在进行一氧化碳浓度的测定过程中，需要合理的避开其他气体重合的谱线，这样才能够在最大程度上保证一氧化碳浓度的准确测定。第三，一般来说基于吸收光谱技术的工业气体检测都需要结合激光器来进行实施，而激光器有一定的极限范围，如果超过了激光器的極限范围，那么所测定的气体浓度必然存在一定的误差。因此在选择谱线的过程中需要在激光器的发射波段范围内。

（二）可调谐半导体激光吸收光谱基本工作原理

当前应用比较常见的基于吸收光谱技术的工业气体检测有波长调制光谱技术以及频率调制技术两大类。一般来说，频率调制光谱技术在实际的应用当中虽然能够实现较高精度，使得工业气体的检测值精确度显著提升，但是所需要的相关软件设施和硬件设施成本极高，同时实施的环境也过于苛刻，在实际的应用当中性价比不高。因此，当前波长调制光谱技术在实际的应用当中比较广泛，波长调制光谱技术主要结合信号强度、光谱线等完成对工业气体的测定和浓度检测工作。对于一些浓度值比较高，并且易于检测的工业气体来说，通过波长调制技术能够很好的进行测定。但是如果气体浓度值并不高，并且气体的吸收信号较弱的情况下，通过波长调制光谱技术无法有效的进行测定。在这方面，需要结合WMS系统来实现技术上的优化和改善，WMS技术主要能够将整个测定环境中的外界影响因素最小化，使得测定的信号强度显著增加，从而提升工业气体的检测准确度。

（三）谐波检测原理

在吸收光谱技术中的关键检测原理中，还需要考虑到半导体激光器输出频率的变化以及电流注入的影响问题。在进行工业气体的检测过程中，需要激光导体对信号窄带波长进行扫描，同时根据所录入的数据库中的相关气体在线谱上的波长和线宽来确定气体的具体成分和浓度。吸收波长与吸收系数之间的变化呈现非线性关系，需要利用电流调制来优化激光波长。[ 1 ]谐波检测的主要原理通过对二次谐波的相关特征指标进行提取和检测，从而反应具体的气体浓度和相关指标。通过实际的调查研究发现，二次谐波中也包含有一定的气体浓度指征，并且相关指标的准确度要比一次谐波更加完善，所需要的仪器设备的成本也较低，比较适合工业气体的检测。

（四）气体检测光源的选择

在进行吸收光谱技术的工业气体检测过程中有两种不同的激光仪器可供选择，其一为分布反馈式激光器，其主要的工作原理是通过折射率的规律变化来进行工业气体的检测工作，并且分布反馈式激光器的覆盖面比较广，在进行气体单一指标的测定上，其线宽更窄，能够实现更为准确的测定，对相关的硬件设施要求低，在当前工业气体检测过程中得到了较为广泛的应用。[ 2 ]第二种气体检测光源为垂直腔表面发射激光器，其主要的工作原理是通过改变激光器内部腔体的长度来改变波长，实现对工业气体的检测工作，在目前的发展来看，垂直腔表面发射激光器所输入的电流值以及功率较低，所耗费的资源较小，但是相比于分布反馈式激光器来说，测定的精确度存在一定的问题，在实际的应用当中并没有分布反馈式激光器更加广泛。[ 3 ]

三、总结

综合上文所述，我们可以看出随着当前科学技术的不断进步和发展，在进行工业气体检测上的技术和手段正在不断的创新和改善，本文我们基于此主要探究基于吸收光谱技术在工业气体检测上的几大关键性技术，得出吸收光谱技术在工业气体检测的过程中应用的理论基础是气体分子选择吸收以及光谱线的线性选择两大理论。关键技术主要为吸收光谱选择、可调谐半导体激光吸收光谱基本工作原理、谐波检测原理、以及气体检测光源的选择。在未来的发展工业气体检测过程中，相信吸收光谱技术一定能够得到更加广泛发展和推广。[ 4 ]

参考文献：

[1] 王洪涛.基于吸收光谱技术的工业气体监测关键技术研究[D].重庆大学，2014.

[2] 赵燕杰.窄线宽低噪声掺铒光纤激光器以及新型光纤气体传感器的研究[D].山东大学，2014.

[3] 孙友文，刘文清，谢品华，方武，曾议，司福祺，李先欣，詹锴.差分吸收光谱技术在工业污染源烟气排放监测中的应用[J].物理学报，2013，01：102-111.

[4] 姚路，刘文清，刘建国，阚瑞峰，许振宇，阮俊，戴云海.基于TDLAS的长光程环境大气痕量CO监测方法研究[J].中国激光，2015，02：313-320.