TDLAS气体分析仪的信息：原理、应用和功能

可调谐二极管激光吸收光谱法（TDLAS）是一种红外吸收光谱分析技术，它利用分子“频率选择性”吸收原理形成吸收光谱，从而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式测量，并具有高精度和高选择性的特点。

结合波长调制光谱（WMS）和锁相放大等噪声抑制技术，激光气体分析仪能够实现ppm甚至ppb级痕量气体分子的浓度测量。本文将深入探讨激光气体分析仪的原理、应用、特性以及相对于其他类型分析仪的优势。

TDLAS气体分析仪的原理

1. 兰伯特-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-比尔定律表示。公式中，V、0和IV分别代表频率为V的激光器，以及入射光和穿过压力为P、浓度为X、光程为L的气体后的光强；S(T)表示气体吸收线的强度；线性函数g(v-v0)表示吸收线的形状。气体吸收通常较小，这些关系表明气体浓度越高，光衰减越大。因此，可以通过测量气体对激光的衰减来测定气体的浓度。

2. 光谱线强度

气体分子的吸收始终与分子内部能级从低能态跃迁到高能态有关。谱线强度 S(T) 反映了跃迁过程中受激发射、受激发射和自发辐射强度的综合作用，是吸收光谱线基本的属性。它取决于能级间以及上下能级间的跃迁概率，也取决于分子数量。分子在不同能级间的分布受温度影响，因此谱线强度也与温度相关。

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广泛的TDLAS技术，能够实现更高的检测灵敏度。它通过快速调制激光频率，扫描被测气体吸收光谱线的固定频率范围，然后利用相位敏感检测技术测量气体吸收后透射光谱线中的谐波分量，从而分析气体的吸收情况。

调制方式有两种：外部调制和内部调制。外部调制方式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。内部调制方式则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。由于使用方便，内部调制方式应用更为广泛。其测量原理简述如下。

当激光频率扫描气体吸收光谱线时，激光器的工作电流受到更高频率的正弦调制。瞬时激光频率可表示为：其中，(t) 表示激光频率的低频扫描；a 为正弦调制幅度，表示频率变化的幅度；w 为正弦调制频率。透射光强度可表示为以下傅里叶级数形式。

谐波分量可利用相位敏感探测器（PSD）进行检测。调制光谱技术通过高频调制显著降低了激光光学噪声（1/f噪声）对测量的影响。同时，通过增大PSD的时间常数，可以获得极窄带宽的带通滤波器，从而有效压缩噪声带宽。因此，调制光谱技术能够实现更高的检测灵敏度。

测量步骤

激光气体分析仪的原理基于激光光谱学和光吸收学原理。其工作流程可分为以下几个关键步骤：

激光光源：激光气体分析仪采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。

样品气体：待分析的气体样品通过气体室或气体管路引入分析仪。

光吸收：激光束穿过样品气体，特定波长的激光光子会被气体分子吸收。被吸收的光子数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被吸收的光子数，该信号与气体中目标分子的浓度有关。

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值来确定目标分子的浓度。

激光气体分析仪利用这一基本原理，能够高精度地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性。

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，因此在许多应用中都非常有用。

高选择性：由于激光光谱学的原理，该仪器具有很高的选择性，可以精确测量目标分子，而不会受到其他气体的干扰。

高分辨率：激光光谱技术使仪器能够达到非常高的分辨率，这意味着它可以识别气体成分的微小变化。

实时监测：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。

非侵入式：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。

与其他类型分析仪相比的优势

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著优势：

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同样的准确度。

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测。

它的非侵入性意味着它可以用来分析样品气体，而不会破坏样品。

只需改变激光光源的波长或选择不同的吸收线，即可使其适应各种气体分析需求。

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。以下列举一些主要应用领域：

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，例如燃烧过程中的烟气分析、化学反应中的气体产物分析等。这有助于提高生产效率并确保产品质量。

环境监测：在环境保护领域，激光气体分析仪可用于监测大气中污染物的浓度，例如二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等。这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：在医学领域，激光气体分析仪可用于检测呼吸气体中的生化标志物。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：激光气体分析仪也可用于监测危险气体，例如工业气体泄漏检测或煤矿有毒气体监测，以确保工作环境的安全。

激光气体分析仪是一种高精度、高灵敏度和高选择性的气体分析工具，已广泛应用于众多领域。其工作原理基于激光光谱和光吸收，能够精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，使其成为许多应用领域的首选工具。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行为提供了强大的工具。