中科院半导体所科技成果——基于TDLAS技术的气体传感器

科技成果——基于TDLAS技术的激光在线气体分析技术技术开发单位山西国惠光电科技有限公司适用范围本技术适用于钢铁、冶金、石化、环保、生化、航天等行业的气体泄漏安全监测。

该技术弥补了目前市场上的“点”式测量探头只能测量空间某个“测量点”，有一定盲区的技术不足，实现了空间“线”区域的气体浓度测量，测量气体浓度可完全覆盖一定区域，弥补了“点”式测量原理的技术不足。

成果简介采用半导体激光调制光谱吸收技术（简称TDLAS技术）实现了O2、CO、CH4、CO2、H2S、NH3、HCN、H2O、HF、HCl等几十种工业过程气体浓度的实时测量，测量灵敏度可达到ppm、ppb级。

半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术利用激光能量被气体分子“选频”吸收形成吸收光谱的原理来测量气体浓度。

由半导体激光器发射出特定波长的激光束（仅能被被测气体吸收），穿过被测气体时，激光强度的衰减与被测气体的浓度成一定的函数关系符合比尔朗伯定律，因此，通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。

关键技术关键技术一：TDLAS激光光谱分析技术。

采用先进的激光波长调制光谱分析技术来实现对气体浓度的反演测量，提高系统测量精度，使系统测量精度达到ppm级。

关键技术二：高精度、低噪声激光波长调试技术。

通过采用精密电子技术，达到对激光器温度精密控制，激光器工作电流的精密控制来实现对激光波长的精密调谐，温度控制稳定度要达到10mK的精度。

关键技术三：高性能数字信号处理嵌入式平台处理技术。

能够对测量信号进行高速采集，实时高速数据处理，数字信号滤波能功能，来实现设备的高灵敏度测量。

主要技术指标（1）以O2为例，气体测量量程：0-2%；系统测量时间：≤1s；线性误差：≤±2%F.S（测量范围）；量程漂移：≤±2%F.S（测量范围）；零点漂移：≤±2%F.S（测量范围）。

（2）防爆标志：ExdIIBT4；防护等级：IP65；电源：DC-24V/3A；吹扫气体：0.3-0.8MPa工业氮气；工业环境温度：-20℃到50℃。

半导体式气体传感器研究报告引言半导体式气体传感器是一种常见且重要的气体检测技术。

它通过半导体材料的导电性质的变化来检测气体的存在和浓度。

本研究报告将对半导体式气体传感器进行全面、详细、完整且深入地探讨。

半导体材料的基本原理在介绍半导体式气体传感器的工作原理之前，我们先来了解一下半导体材料的基本性质。

半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的物质，它的导电性能可以通过控制其杂质浓度和温度来进行调节。

半导体式气体传感器的工作原理半导体式气体传感器利用半导体材料的导电性质对气体进行检测。

当半导体材料暴露在待测气体中时，气体分子会与材料表面发生反应，改变材料的导电性质。

这种改变可以通过测量电阻、电流或电压的变化来检测。

半导体式气体传感器的优点半导体式气体传感器具有以下几个优点： - 灵敏度高：半导体材料与气体分子之间的反应非常灵敏，可以检测到非常低浓度的气体。

- 响应快速：由于半导体材料的导电性质可以迅速改变，因此半导体式气体传感器具有快速的响应速度。

-成本低廉：半导体材料的制备工艺相对简单，成本较低，因此半导体式气体传感器的价格相对较低。

半导体式气体传感器的应用领域半导体式气体传感器在许多领域都有广泛的应用，以下是一些常见的应用领域： 1. 工业安全：半导体式气体传感器可以用于检测工厂中的有害气体，及时发现气体泄漏，保障工人的安全。

2. 室内空气质量监测：半导体式气体传感器可以用于监测室内的气体浓度，确保室内空气的质量。

3. 环境监测：半导体式气体传感器可以用于监测大气中的污染物浓度，为环境保护提供数据支持。

半导体式气体传感器的发展趋势随着科技的进步，半导体式气体传感器也在不断发展和改进。

以下是一些半导体式气体传感器的发展趋势： - 小型化：随着集成电路技术的不断发展，半导体式气体传感器越来越小型化，可以方便地集成到各种设备中。

- 多功能：未来的半导体式气体传感器有望实现多功能集成，可以同时检测多种气体。

基于TDLAS技术的甲烷气体泄露成像检测概述甲烷是一种常见的温室气体，对全球气候变化有着重要影响。

而甲烷泄露可能导致爆炸、火灾等安全事故，因此对甲烷气体泄露进行快速、准确的检测显得尤为重要。

本文主要介绍了一种基于TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）技术的甲烷气体泄露成像检测方法。

TDLAS技术基本原理TDLAS技术利用可调谐二极管激光器（TDL）作为光源发出一束精确波长的激光光束，并通过光谱吸纳测量样品中特定气体的浓度。

依据不同气体对特定波长激光的吸纳程度，可以得到气体的浓度信息。

TDLAS技术具有高区分率、灵敏度高、反应迅速等优点，特殊适合用于气体泄露检测。

甲烷气体泄露成像检测方法甲烷气体泄露成像检测方法基于TDLAS技术，通过对泄露空间进行扫描，得到到泄露区域甲烷浓度的空间分布信息。

该方法主要包括以下几个步骤：1. 系统搭建：搭建甲烷气体泄露成像检测系统，包括TDL激光器、光谱分析仪、样品接收器等。

2. 成像扫描：将TDL激光器与光谱分析仪进行毗连，激光器发出特定波长的激光光束，经过样品接收器接收并转化为电信号。

光谱分析仪对接收到的信号进行处理，并得到各个位置的甲烷浓度。

3. 数据处理：将得到的甲烷浓度数据进行处理，生成泄露区域的浓度分布图。

可以利用图像处理算法进行降噪和增强处理，提高成像效果。

4. 报警与定位：依据甲烷浓度分布图，进行趋势分析和异常检测，当浓度超过安全阈值时，自动报警并提供泄露位置的定位信息，以便进行紧急处理。

优势与应用方法具有以下优势：1. 高灵敏度：TDLAS技术具有高灵敏度，能够对低浓度的甲烷进行精确检测。

2. 快速反应：TDLAS技术响应速度快，可以实时监测甲烷泄露状况，提高安全性。

3. 空间成像：通过扫描泄露空间，可以得到甲烷浓度的空间分布信息，便于分析和定位泄露源。

方法在以下领域具有广泛应用前景：1. 工业安全：在石油化工、自然气等工业领域，准时发现和处理甲烷泄露，可以有效预防火灾和爆炸事故的发生。

基于TDLAS的甲烷传感器高灵敏信号处理方法研究摘要：基于可调谐半导体激光吸收光谱，提出了一种新的数字信号处理方法用于提高吸收光谱测量的灵敏度．将该方法应用于瓦斯气体探测实验，研究结果表明：采用卡尔曼滤波可以使波长调制光谱的信噪比提高一个数量级，由于该方法不需要增加系统设备的成本，故比其他噪声抑制技术有更实用价值。

关键词：吸收光谱；信号处理；滤波；瓦斯1 引言随着煤矿开采、石油化工、燃煤发电等行业的快速发展，工业过程会产生各种污染气体，不仅造成大气污染、酸雨和城市光学学烟雾、甚至爆炸对人的生命产生直接的威胁。

因此，工业过程的监控就变得越来越重要。

可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）广泛的用于分子吸收光谱研究[1-3]，并开始应用到上述领域的工业过程监测[4-7]。

但是，在被测气体往往在该波段内分子的吸收强度较弱，探测灵敏度低。

此外还由于气体对人射光的吸收很小，光强的相对变化很小，所以测量得到的吸收光谱信号很容易受到各种噪声和误差的干扰。

在低信噪比的情况下，仪器检测结果的可靠性就变得非常差。

为了抑制各种噪声，TDLAS技术中发展了幅度调制、扫描积分、波长调制下的二次谐波检测等技术方法[8，9]。

随着计算机技术和各种算法的快速发展，数字信号处理技术开始受到学者们的关注并取得了一定的研究成果[10，11]。

本文报道了一种可以提高仪器探测灵敏度的卡尔曼滤波数字信号处理技术。

2 卡尔曼数字信号处理技术2.1 噪声源分析在TDLAS传感器中（系统原理如图1所示），信号的噪声源非常多，主要包括伴随着激光固有的噪声、电噪声及光学噪声等；伴随噪声源包括光学元器件的热胀冷缩、激光频率的漂移、标准具效应等；以及外部影响带来的噪声，例如由于光程、浓度和粉尘等众多因素的影响；此外，吸收光谱中包含的被测气体浓度的信息量通常也比较少，信号的信噪比非常低。

虽然原有的幅度调制、扫描积分和波长调制下的二次谐波检测等技术方法在一定程度上提高了信噪比，但是还远远满足不了实际应用的需要。

基于半导体激光器的气体传感器研究基于可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）的气体传感技术在气体浓度检测领域具有其他方法无可比拟的优势：具有很高的测量精度，可达ppm甚至ppb量级；针对性强，不会被其他气体成分干扰，可同时对多种气体进行检测；具有极快的响应速度；测量过程中与气体无接触且不对待测气体产生影响；由于采用DFB激光器检测气体，可以有效抵抗腐蚀及电磁干扰，并且可以工作在人类无法靠近或接触的各种恶劣环境中。

本文主要从利用TDLAS技术对有毒、有害气体如二氧化硫、二氧化氮进行浓度检测出发，介绍了相关的研究背景、研究意义，将其他几种气体浓度检测方法与基于TDLAS的浓度检测方法进行比较，后者表现出巨大的优越性；接着介绍了测量原理，提出了适应不同情况的两种测量方法：直接法和谐波法；随后分别从气体吸收峰的选择、激光器的选择、温控电路设计、程控电流源设计等方面介绍了系统各组成部分具体方案设计，接着得出了大概的测量结果；最后对全文进行总结并对TDLAS技术的发展前景给予展望。

关键词：DFB激光器，TDLAS，二氧化硫，浓度检测，谐波法目录摘要......................................................................... 错误!未定义书签。

Abstract...................................................................... 错误!未定义书签。

目录 (I)第一章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 常见的气体分析技术介绍 (2)1.2.1 化学分析法 (2)1.2.2 气相色谱法 (2)1.2.3 吸收光谱法 (3)1.2.4 可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术 (4)1.3 TDLAS技术国内外研究现状和发展趋势 (5)1.4 本文的主要工作 (6)第二章可调谐半导体激光吸收光谱技术 (7)2.1 检测原理 (7)2.2 气体吸收的两种情况 (8)2.3 吸收峰的锁定方法 (11)2.4 锁相放大技术 (14)第三章基于TDLAS的气体浓度检测系统设计 (15)3.1 系统总体设计 (15)3.2 系统具体方案设计 (15)3.2.1 气体吸收峰的选择 (15)3.2.2 激光器的选择 (17)3.2.3 激光器温控电路设计 (19)3.2.4 激光器程控电流源设计 (20)3.2.5 待测气体气室设计 (21)3.2.6 光电探测器的选择 (22)3.2.7 调理电路的设计 (23)3.3 装置及测量结果 (24)第四章结论和展望 (26)4.1 结论 (26)4.2 展望 (26)第一章绪论1.1 引言随着社会经济的的飞速发展，人们的生活条件显著提升，由此带来的环境问题也愈发严峻。

中文摘要中文摘要随着现代激光技术的发展，可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术因其具有光谱分辨率高、选择性好、灵敏度高、响应速度快等优势，所以被越来越多地应用于大气环境监测、燃烧诊断、危险气体泄漏安全监测、工业过程控制以及医学诊断等领域。

而调制光谱技术和多光程吸收池常用于提高TDLAS系统的检测灵敏度及测量稳定性。

本文主要对TDLAS的调制光谱技术及其在气体检测中的应用展开研究。

首先研究了波长调制理论，实验搭建了一套波长调制气体吸收光谱测量系统，实现了燃烧中的CO2和CO的单激光器同时测量；其次，研究了免校准波长调制光谱理论，并从实验上验证了免校准技术对探测光强及外界干扰的免疫能力，并采用免校准波长调制光谱技术搭建了小型化TDLAS系统，实现了单个激光器对空气中CO和CH4的实时监测；最后，研究了频率调制光谱技术，实验测量了NO分子b4∑ˉ-a4∏系统(3,0)带跃迁谱线，并研究采用频率调制技术抑制光谱系统中的干涉噪声，实现频率调制光谱系统的小型化及快速测量。

本论文的研究成果及创新主要包括：1. 研究了波长调制理论，并实验搭建了一套波长调制气体吸收光谱测量系统，使用单个分布反馈式(Distributed Feedback, DFB)激光器实现了对通信波段(1.58 μm)附近的CO2和CO的同时测量，并在1 s的积分时间内选取最佳平均次数为10次来进一步减小随机噪声的影响。

通过Allan方差分析，系统对CO2和CO的最低探测极限可分别达到7.5 ppm (10-6)和14 ppm。

此外，实验通过控制空气进量对蜡烛不同燃烧程度时产物中的CO2和CO浓度进行了实时测量。

2. 实验验证了通过一次谐波归一化二次谐波信号实现的免校准波长调制光谱对激光光强变化及气流影响、系统震动等外界干扰的免疫能力。

基于免校准波长调制理论搭建了小型化的多光程TDLAS系统，用于空气中CO和CH4的实时监测。

系统尺寸为60⨯30⨯25 cm3，采用集成化的FPGA控制系统和新型Herriott多光程吸收池，选择中心频率为2.3 μm的DFB激光器作为光源，排除空气中复杂气体成分的干扰，同时考虑空气中实际含量选择合适吸收线，实现对CO和CH4的同时测量。