量子激光微量乙炔分析仪在大型空分装置上的价值推广

(聚光科技(杭州)股份有限公司，杭州 310052)

1 量子激光微量气体分析仪测量机理

1.1 Beer-Lambert定律

在未饱和弱吸收情况下，半导体光源发出的激光通过被测气体后光强的衰减遵循Beer-Lambert定律：

I(v)=I0(v)exp(-S(T)g(v-v0)NL)

(1)

式中：I0(v)和I(v)分别表示频率为v的单色激光在入射时和经过光程L、浓度为N的气体之后的光强。S(T)表示气体吸收谱线的强度，仅与气体温度相关；g(v-v0)表示该吸收谱线的形状，它与气体温度和压力有关。线强S(T)和线形函数g(v-v0)的乘积就是吸收谱线的吸收截面a(v0)。通过测量衰减后的激光强度与参考激光强度(基线)，可以确定光谱吸收率，在知道压力、线强度、激光在气体介质中穿越距离等参数的条件下，可以反演气体浓度值。

1.2 波长调制光谱

直接吸收测量技术容易受到背景噪声的干扰，为了实现高灵敏度检测，在TDLAS中广泛使用波长调制光谱技术。大部分背景噪声，尤其是激光器1/f噪声和检测器热噪声，具有高频段下幅度迅速降低的特点，因此，在高频下进行信号检测可有效地抑制背景噪声，从而极大提高检测灵敏度。波长调制光谱技术在TDLAS系统的具体应用是，结合低频扫描波和高频调制波对激光驱动电流进行调制，调制后的激光发射频率和光强的分别为：

v=v0+vmsin2πft

(2)

I'=I0(1+ηsin2πft)

(3)

式中：v为调制后激光器发射的单频光的频率，v0为低频扫描频率，vm为高频调制引起的频率幅度变化，I’ 为调制后的光强，I0为初始光强，η为光调制系数，f为高频调制信号的频率。波长调制是通过改变半导体激光器驱动电流来实现的，一般通过叠加低频三角波和高频正弦波构成调制波形，低频扫描信号实现激光器波长扫描过完整的气体吸收谱线，高频正弦波信号实现对噪声的抑制。……