[实用新型]一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪

说明书

技术领域

本实用新型属于气体检测技术领域，具体涉及一种对氯化氢、甲烷、一氧化碳和水蒸气等气体进行检测的基于TDLAS-WMS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS，Wavelength modulation spectroscopy，WMS）的激光红外气体分析仪。 

背景技术

氯化氢是无色而有刺激性气味的气体。易挥发，扩散性强，易溶于水。氯化氢也是一种重要的化工原料，因此，在化工生产过程中，不可避免地会产生氯化氢的废气，由于氯化氢对人的眼睛和呼吸系统有强烈的刺激作用，会引起一系列的人体疾病甚至死亡。氯化氢对环境也有一定的危害，为了尽可能的减少氯化氢气体对人类的生产和生活造成影响，对它的监测至关重要。 

甲烷在自然界中分布很广，它是温室效应中的重要气体，温室效应对生物及其所处环境有着很大的影响，甲烷也是煤矿生产中瓦斯气体的主要成分，近年来，我国煤矿爆炸事故时有发生，造成了很多无法挽回的巨大损失。故对甲烷的检测也是义不容辞的。 

一氧化碳是大气中分布最广和数量最多的污染物，也是燃烧过程中生成的重要污染物之一。一氧化碳具有毒性，一氧化碳进入人体之后会和血液中的血红蛋白结合，从而使血红蛋白不能与氧气结合，引起机体组织出现缺氧，导致人体窒息甚至死亡。因为一氧化碳是无色、无味的气体，很容易被人们忽略而致中毒。所以要重视对一氧化碳检测。 

而水蒸气即湿度与人们的日常生活密切相关，同时湿度也对各个领域有着重要的影响，因此，对水蒸气的检测也具有重大的意义。 

红外气体分析仪的实质是利用特定的气体分子对特定的红外光谱产生吸收这一特点，把光通过气体后的衰减量和气体浓度联系起来，进而把浓度信号转变为光信号，最终转变为电信号。采用可调谐二极管激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）结合波长调制光谱（Wavelength modulation spectroscopy，WMS）技术对气体浓度进行测量，具有灵敏度高、选择性好、长期稳定性等优点。其基本原理是：利用激光器的电流调谐和温度调谐的特性，使激光器的输出波长扫描待测气体的某一吸收峰，同时对激光器进行调制，根据谐波信号与气体浓度的相关性进行检测。但是此技术也存在缺点：调节激光器的注入电流实现波长 扫描和调制的同时将引起激光功率的变化，即产生强度调制现象，从而影响测量的精度。 

为了消除强度调制现象，一般采用谐波比值法。由于谐波峰值随阶次的升高而变小，因而通常利用一次谐波信号对二次谐波信号进行归一化处理。这种办法虽然可以消除光强、光电增益等公共项，但无法从根本上消除强度调制现象。而且还需测量强度调制与波长调制的相位差、调制一次项与二次项系数等，增加了系统的复杂度。此外，一次谐波的波形不稳定，用二次谐波和一次谐波比值的检测方法会使得测得的浓度值更加的不稳定，从而增大测量的误差。 

实用新型内容

本实用新型的目的是依据红外吸收原理（朗伯-比尔定律），基于TDLAS-WMS方法检测氯化氢、甲烷、一氧化碳和水蒸气浓度。本实用新型针对测量中存在的强度调制现象，提出了一种新的解决方法，即利用除法运算结合空间双光路差分检测方法，从根本上消除强度调制现象，克服常规方法的缺点。 

本实用新型所采用的技术方案是将TDLAS（可调谐二极管激光吸收光谱）与WMS（波长调制光谱）相结合。在本质上是通过改变激光器的发射波长，使其光谱扫描待测气体的吸收跃迁谱线。在实验中，首先通过调整激光器的工作温度，使激光器的输出的光波长在吸收跃迁的中心波长位置附近，然后，调节驱动激光器的电流再对波长进一步地精细调节，目的是使激光器发射的中心波长尽可能与吸收谱线中心对准。在确定了工作温度与直流偏置电流后，需要使直流电流周期性地缓慢变化，以实现激光波长对整个跃迁谱线的扫描。为了减小系统中的1/f噪声，采用频率调制技术将待测信号频率调制到高频区域；为了消除强度调制以及光强波动等因素的干扰，采用了除法运算与一般的空间双光路差分检测法相结合的技术；采用锁相放大技术是为了提取二次谐波信号，根据二次谐波信号与气体浓度的线性关系，实现对气体浓度的检测。