可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）是一种红外吸收光谱分析技术，利用分子“频率选择性”吸收的原理，形成吸收光谱，实现分子浓度的高分辨率定量分析。 TDLAS能够进行原位非接触测量，具有高精度、高选择性的特点。
结合波长调制光谱（WMS）和锁定放大等噪声抑制技术，可以实现ppm甚至ppb级别的痕量气体分子。 浓度测量。 本文将深入探讨激光气体分析仪的原理、应用、特点以及相对于其他类型分析仪的优势。
TDLAS气体分析仪原理
1. 朗伯-比尔定律
TDLAS技术是一种高分辨率光谱吸收技术。 半导体激光器穿过被测气体时的光强衰减可以用朗伯-比尔定律来表示。 式中，IV、0、IV分别代表频率为V的激光，入射和穿过压力为P、浓度为X、光程为L的气体时的光强； S(T)表示气体吸收线的强度； 线性函数g(v-v0)代表吸收线的形状。 气体吸收一般较小，这些关系表明气体浓度越高，光的衰减越大。 因此，可以通过测量气体对激光的衰减来测量气体的浓度。
2. 谱线的线强度
气体分子的吸收总是与分子内从低能态到高能态的能级跃迁有关。 线强度S(T)反映了跃迁过程中受激吸收、受激发射和自发发射的强度之间的净效应。 它是吸收谱线最基本的属性。 它由能级之间以及上下能级的跃迁概率决定。 由分子数决定。 分子在不同能级之间的分布受温度影响，因此谱线的线强也与温度有关。
TDLAS气体分析仪的测量技术
调制频谱检测技术
调制光谱检测技术是应用最广泛的TDLAS技术，可以实现更高的检测灵敏度。 它通过快速调制激光频率扫过被测气体吸收谱线的固定频率范围，然后利用相敏检测技术测量透射谱线中的谐波分量来分析气体的吸收情况。被气体吸收。
调制方案有两种类型：外部调制和内部调制。 外部调制方案是利用半导体激光器外部的电光调制器来实现激光频率的调制。 内调制方案通过直接改变半导体激光器的注入工作电流来实现激光频率的调制。 调制。 由于使用方便，内部调制方案应用更为广泛。 下面简单介绍其测量原理。
当激光频率扫过气体吸收谱线时，激光工作电流通过更高频率的正弦调制进行调制。 瞬时激光频率可表示为： 式中，(t)表示激光频率的低频扫描； a是正弦调制产生的频率变化的幅度； w 是正弦调制频率。 透射光强度可以用以下傅立叶级数的形式表示。
可以使用相敏检测器 (PSD) 检测谐波分量。 调制光谱技术通过高频调制显着降低激光光学噪声（1/f噪声）对测量的影响。 同时，通过为PSD设置较大的时间常数，可以获得带宽非常窄的带通滤波器，从而有效地压缩Noise带宽。 因此，调制光谱技术可以实现更好的检测灵敏度。
测量步骤
激光气体分析仪的原理是基于激光光谱和光学吸收的原理。 其工作过程可分为以下几个关键步骤：
- 激光源：激光气体分析仪使用单色相干激光束作为光源。 激光束的特性使其能够高度聚焦和定向。
- 样气：待分析的气体样品通过气室或气体管线引入分析仪。
- 光吸收：激光束穿过样品气体，特定波长的激光光子被气体中的分子吸收。 吸收的光子数量与气体中目标分子的浓度成正比。
- 探测器：探测器测量出射光束中未吸收的光子数量，该信号与气体中目标分子的浓度相关。
- 数据处理：分析仪通过计算吸收光强度与未吸收光强度的比率来确定目标分子的浓度。
这一基本原理使激光气体分析仪能够高精度测量气体成分的浓度，因为每个分子都有其特定的吸收光谱特征。
TDLAS 气体分析仪的特点
与传统气体分析仪相比，激光气体分析仪具有许多独特的功能，包括：
- 高灵敏度：激光气体分析仪能够检测极低浓度的气体，使其在许多应用中都很有用。
- 高选择性：由于激光光谱原理，该仪器具有高选择性，可以精确测量目标分子，不受其他气体的干扰。
- 高分辨率：激光光谱仪使仪器能够实现非常高的分辨率，这意味着它可以识别气体成分的微小变化。
- 实时监控：激光气体分析仪可以实时监测气体浓度的变化，使其成为控制和调整动态过程的理想选择。
- 非侵入性：这种类型的分析仪通常不需要与样品气体直接接触，因此不会干扰样品或污染气体。
相对于其他类型分析仪的优势
与其他类型的气体分析仪相比，激光气体分析仪具有一些显着的优势：
- 高灵敏度和选择性使其在低浓度气体分析中更具竞争力，而其他方法可能无法达到相同的精度。
- 实时监控功能使其在需要立即响应的应用中非常有用，例如工业过程控制和环境监控。
- 其非侵入性意味着它可以在不破坏样品的情况下分析样品气体。
- 只需改变激光源的波长或选择不同的吸收线即可适应多种气体分析需求。
| 特点 | 激光气体分析仪 | 质谱仪 | 红外气体分析仪 |
| 原则 | 激光吸收光谱 | 质谱质荷比 | 红外吸收光谱 |
| 主要参数 | 浓度、波长、谱线 | 质荷比、质谱 | 波长、谱线 |
| 技术 | 激光发射和吸收 | 质谱法 | 光吸收 |
| 功能 | 高灵敏度和选择性 | 高分辨率、高灵敏度 | 非侵入性且高度稳定 |
| 应用领域 | 工业和环境监测 | 化学分析、元素分析 | 空气质量监测、医学 |
TDLAS气体分析仪的应用
激光气体分析仪广泛应用于各个领域。 以下是主要领域的一些示例：
- 工业生产：激光气体分析仪可用于监测工业过程中的气体浓度，如燃烧过程中的烟气分析、化学反应中的气体产物分析等，有助于提高生产效率，保证产品质量。
- 环境监测：在环保领域，激光气体分析仪可用于监测大气中污染物的浓度，如二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等，有助于评估空气质量、制定环境政策和应对气候变化挑战。
- 医学诊断：在医疗领域，激光气体分析仪可用于检测呼吸气体中的生化标记物。 例如，气体中一氧化碳的浓度可用于诊断一氧化碳中毒。
- 科学研究：科学家利用激光气体分析仪进行实验研究，例如在天文学中，测量星际空间中分子的浓度，以研究星际云的化学成分。
- 安全检查：激光气体分析仪还可用于有害气体监测，如工业气体泄漏检测或煤矿有毒气体监测，确保工作环境的安全。
结论
激光气体分析仪是一种高精度、高灵敏度、高选择性的气体分析工具，已广泛应用于多个领域。 其原理基于激光光谱和光吸收原理，使其能够准确测量气体成分的浓度。 与其他类型的气体分析仪相比，激光气体分析仪具有独特的优势，使其成为许多应用的首选工具。 无论是在工业生产、环境监测、医疗诊断还是科学研究领域，激光气体分析仪都发挥着不可替代的作用，为我们更好地了解和控制气体的行为提供了有力的工具。更多信息，请访问 埃斯加斯.
