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激光甲烷氣體檢測(cè)儀主要基于激光吸收光譜技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷氣體的檢測(cè),以下是其具體技術(shù)原理:
1.基本原理
光與物質(zhì)的相互作用:當(dāng)激光光束通過(guò)含有甲烷氣體的介質(zhì)時(shí),甲烷分子會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的激光能量。根據(jù)分子光譜學(xué)理論,甲烷分子具有獨(dú)特的吸收光譜,在近紅外或中紅外波段存在特征吸收峰。例如,在波長(zhǎng)約 1.66μm 或 3.3μm 附近有明顯的吸收峰,激光甲烷氣體檢測(cè)儀就是利用甲烷在這些特定波長(zhǎng)處的吸收特性來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的。
朗伯 - 比爾定律:該定律描述了光在通過(guò)吸收介質(zhì)時(shí),光強(qiáng)的衰減與介質(zhì)中吸收物質(zhì)濃度的關(guān)系。表達(dá)式為\(I = I_0e^{-αCL}\),其中\(zhòng)(I\)是出射光強(qiáng),\(I_0\)是入射光強(qiáng),\(α\)是甲烷氣體在特定波長(zhǎng)下的吸收系數(shù),\(C\)是甲烷氣體的濃度,\(L\)是光在氣體中的傳播路徑長(zhǎng)度。通過(guò)測(cè)量入射光強(qiáng)\(I_0\)和出射光強(qiáng)\(I\),就可以根據(jù)該定律計(jì)算出甲烷氣體的濃度\(C\)。
2.實(shí)現(xiàn)方式
可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)
波長(zhǎng)調(diào)諧:利用半導(dǎo)體激光器的特性,通過(guò)改變注入電流或溫度等參數(shù),使激光器發(fā)射的激光波長(zhǎng)在甲烷的特征吸收峰附近進(jìn)行掃描。一般來(lái)說(shuō),電流的微小變化會(huì)導(dǎo)致激光器發(fā)射波長(zhǎng)產(chǎn)生相應(yīng)的變化,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷吸收峰的精確掃描。
信號(hào)檢測(cè):當(dāng)激光波長(zhǎng)掃描到甲烷的吸收峰時(shí),激光能量被甲烷分子吸收,導(dǎo)致出射光強(qiáng)發(fā)生變化。探測(cè)器接收到出射光后,將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并將其傳輸?shù)叫盘?hào)處理單元。
二次諧波檢測(cè):為了提高檢測(cè)的靈敏度和抗干擾能力,通常采用二次諧波檢測(cè)技術(shù)。對(duì)掃描的激光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,使甲烷吸收產(chǎn)生的信號(hào)包含在二次諧波分量中。通過(guò)對(duì)二次諧波信號(hào)進(jìn)行提取和分析,可以有效地抑制背景噪聲和其他干擾信號(hào),從而提高檢測(cè)的精度和可靠性。
3.光腔增強(qiáng)吸收光譜技術(shù)(CEAS)
光腔結(jié)構(gòu):在這種技術(shù)中,使用一個(gè)高反射率的光學(xué)諧振腔,將激光多次反射通過(guò)含有甲烷氣體的腔室。一般由兩個(gè)高反射鏡組成,激光在兩個(gè)反射鏡之間來(lái)回反射,形成多次往返路徑,大大增加了光與氣體的相互作用長(zhǎng)度。
吸收信號(hào)增強(qiáng):由于光在腔內(nèi)多次反射,甲烷氣體對(duì)激光的吸收效果被顯著增強(qiáng),即使是極低濃度的甲烷也能產(chǎn)生明顯的吸收信號(hào)。通過(guò)測(cè)量光在腔內(nèi)的衰減情況,就可以精確地計(jì)算出甲烷氣體的濃度。這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)極高的檢測(cè)靈敏度,能夠檢測(cè)到極低濃度的甲烷氣體。
除了以上兩種常見(jiàn)的技術(shù),還有一些其他的激光檢測(cè)技術(shù)也用于甲烷氣體檢測(cè),如光聲光譜技術(shù)等。這些技術(shù)各有特點(diǎn),共同為甲烷氣體的精確檢測(cè)提供了有力的技術(shù)支持。
激光甲烷氣體檢測(cè)儀的精度可以達(dá)到多少?
激光甲烷氣體檢測(cè)儀的精度受多種因素影響,不同產(chǎn)品的精度有所差異,一般來(lái)說(shuō)其精度可以達(dá)到以下水平:
1.常規(guī)檢測(cè)精度
ppm級(jí)別:在常見(jiàn)的工業(yè)檢測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景中,大多數(shù)激光甲烷氣體檢測(cè)儀的精度可以達(dá)到 ppm(百萬(wàn)分之一)級(jí)別。例如,很多產(chǎn)品能夠精確檢測(cè)到 1ppm 甚至更低濃度的甲烷氣體,這對(duì)于一般的甲烷泄漏檢測(cè)和安全監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō),已經(jīng)能夠滿足需求,可及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。
2.高精密檢測(cè)精度
ppm級(jí)別:一些采用了先進(jìn)技術(shù)和高精密光學(xué)系統(tǒng)的激光甲烷氣體檢測(cè)儀,精度可達(dá)到亞 ppm 級(jí)別,如 0.1ppm 甚至更高。這類高精度的檢測(cè)儀通常應(yīng)用于對(duì)甲烷濃度檢測(cè)要求極高的場(chǎng)合,如科研實(shí)驗(yàn)室、高端半導(dǎo)體制造等領(lǐng)域,能夠滿足對(duì)微量甲烷氣體的精確測(cè)量需求。
ppb 級(jí)別:在特定的實(shí)驗(yàn)條件下或經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的超高性能激光甲烷氣體檢測(cè)儀,其精度理論上甚至可以達(dá)到 ppb(十億分之一)級(jí)別。不過(guò),要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的 ppb 級(jí)精度檢測(cè),對(duì)檢測(cè)環(huán)境、儀器的穩(wěn)定性和校準(zhǔn)等要求非??量?,一般在實(shí)際應(yīng)用中相對(duì)較少,但在一些極端要求的科學(xué)研究和特殊工業(yè)過(guò)程中具有重要意義。