压电技术在TDLAS气体检测中的应用

气体检测仪是一种常用的气体浓度检测仪器，主要利用气体传感器来检测环境中的气体种类，它可检测硫化氢、一氧化碳、氧气、二氧化硫、磷化氢、氨气、二氧化氮、氰化氢、氯气、二氧化氯、臭氧和可燃气体等多种气体，广泛应用在石化、煤炭、冶金、化工、市政燃气、环境监测、农业等多种场所现场检测。此外，它也可以实现特殊场合测量需要，可对坑道、管道、罐体、密闭空间等进行气体浓度探测或泄漏探测。

可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS，Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）是一种使用可调谐二极管激光器和激光吸收光谱法测量气体混合物中某些物质（如甲烷、水蒸气等）浓度的技术。与其他浓度测量技术相比，TDLAS 的优势在于它能够实现非常低的检测限制（ppb级）。除了浓度之外，还可以确定所观察气体的温度、压力、速度和质量通量。TDLAS 是迄今为止最常见的基于激光的吸收技术，用于定量评估气相中的物质。

TDLAS可调二极管激光吸收光谱技术是利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随调制改变的特性实现对分子的单个或几个距离很近很难分辨的吸收线进行测量。

TDLAS技术主要是通过检测待测气体分子的一条孤立振转吸收谱线进行气体检测的。在探测低浓度气体时，由于吸收信号比较弱，通常要结合长光程技术以及谐波检测手段来提高气体探测的灵敏度。根据Lambert-Beer定律可知，一束光通过气体时会发生衰减。

TDLAS气体检测技术原理

TDLAS气体检测原理图

当LD激光二极管出光通过气体腔，用PD光探测器对LD的光功率进行接收。

随着调制，激光器输出光功率、出光波长将会随之改变，经过气体腔后，对应的输出光功率和出光波长也会发生变化。若在波长扫频的范围内，光没有被气体吸收，即没有出现气体吸收线，那么PD接收的光功率与LD输出的光功率是相同的；若在波长范围内出现吸收线，则PD端接收的光功率的线谱会有凹陷，而通过凹陷处的波长和深度，即可判断该气体的种类和强度。

而为了反应真实的光吸收情况，就必须对激光波长或频率曲线进行扫描。

TDLAS气体检测中频率控制基本方法

通常，调整激光器出光频率有四种基本方法，即改变二极管的温度、改变压电执行器（用于控制光栅位置和角度）的电压、调整驱动激光二极管的电流和改变腔内EOM的电压。

腔内EOM方法不太常见，它可以快速改变折射率，但频率调整的范围通常非常小。

改变二极管的温度，可以大幅度改变激光频率（调谐系数一般是0.1nm/K），从而达到波长扫描的目的。但二极管温度改变需要时间较长，通常需要几秒钟，只适合调节波长的大致范围。

通过调整驱动激光二极管的电流会改变半导体的折射率，因此也会导致频率变化。典型的调谐系数约为0.1GHz/mA。调制电流已经允许调制具有几MHz带宽的激光频率。因此，它是用于减小激光线宽的典型“致动器”。

压电式调整是一种非常快速的调整，可在毫秒甚至亚毫秒的时间内将光栅位置和角度调整完成，满足快速频率变化要求。并且，通过压电式调整的方法可在大范围内调整频率，几Hz至kHz均可。

此外，压电式调整方法也常用于抵消较慢的频率漂移。

基于压电技术的频率控制

通常，压电执行器是用于锁定相位和频率反馈回路中的执行组件。它根据控制信号执行相位和频率调整。

因为不同待测气体的吸收谱线不同，所以激光器的输出激光波长需要产生周期性变化，使激光中心波长调节至待测气体的吸收谱线，产生选择性的吸收。激光器输出波长的周期性变化，就可利用压电执行器进行调节。压电执行器具有响应速度快、精度高的特点，非常适于输出光谱线调节。

不仅在TDLAS气体检测技术中可用到压电执行器，在OPLAS开路气体检测分析中，也会用到压电执行器。

OPLAS（Open Path Laser Absorption Spectroscopy）开放路径激光吸收光谱技术与TDLAS类似，但OPLAS不需要将样品气体泵入气体吸收单元再进行分析。OPLAS系统对激光点质量和光学设备的要求更高。例如，低浓度氨气的检测是相对较难的，在检测氨气浓度较低的气体环境时，可通过压电执行器进行光源的转向调节，快速定位激光扫描中心位置，再通过压电执行器在一定范围内进行激光快速扫描。该方法甚至可以进行达1000米长距离的气体浓度检测。

OPLAS基本结构图

TDLAS气体检测中压电执行器的选型

芯明天具有成千上万种压电执行器与相应的驱动控制产品，在压电执行器的选型时，主要看相应TDLAS气体检测内部的具体结构以及相应需要调节的光路参数。

通常，气体检测仪的体积较小，因此对部件的尺寸要求越小越好。

1）芯明天PZT叠堆式压电执行器

芯明天PZT叠堆式压电执行器具有非常多的尺寸和型号，最小的尺寸可达1.22×1.3×1.7mm^3，位移可达1μm。压电陶瓷叠堆的横截面积有1.22×1.3mm^2、1.66×1.72mm^2、2×3mm^2、3.5×3.5mm^2、5×5mm^2、7×7mm^2......25×25mm^2不等，横截面积越大，相应的压电陶瓷的出力越大。可根据需要的位移范围值来选择高度，高度越高，位移越大。

最终的选型将取决于出力要求、位移要求及空间限制等因素。

芯明天压电陶瓷叠堆

芯明天压电陶瓷叠堆参数

注：因产品型号较多，此处仅展示一部分，更多参数请联系芯明天销售工程师。

2）芯明天封装式压电陶瓷促动器

为了在使用环境中得到更好的保护和应用，芯明天提供封装式压电陶瓷促动器，它将PZT压电陶瓷叠堆封装于内部，使其免受于磕碰、湿度等影响。

此外，封装式压电陶瓷促动器内部对PZT压电陶瓷预加有预紧力，使其更适合于动态应用。

芯明天封装式压电陶瓷促动器

封装式压电陶瓷促动器的移动端可选择平头、球头、内螺纹、外螺纹连接，也可选择定制连接方式。

芯明天封装压电陶瓷促动器参数

注：因产品型号较多，此处仅展示一部分，更多参数请联系芯明天销售工程师。

增加气体腔长，可提高吸收灵敏度

对于浓度较低的气体的检测，就需要更高的气体吸收灵敏度。

可采用增加气体腔长度来提高气体吸收的灵敏度，但这会导致气体检测设备的体积变得更加庞大。为解决体积庞大的问题，很多气体检测设备在气体腔的两端加上特殊的低损耗反射镜片。激光器发出的光在气体腔内被反射镜片来回反射，从而使得光与气体有更多的接触，使得光通过气体的距离变长，从而提高测试的高灵敏度，较微弱的吸收线也可被检测。

注：仅供参考，不同系统结构不同。

因为光要在气体腔内来回振荡，所以需要LD的线宽尽可能的窄。

当然，上述只是TDLAS结构中的一种，每个TDLAS设备的结构都会有差别。

气体敏感波长列表

为大家附上网络上查询到的气体敏感波长参数，如下表所示。

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审核编辑：汤梓红