壓電技術(shù)在TDLAS氣體檢測(cè)中的應(yīng)用

氣體檢測(cè)儀是一種常用的氣體濃度檢測(cè)儀器，主要利用氣體傳感器來(lái)檢測(cè)環(huán)境中的氣體種類(lèi)，它可檢測(cè)硫化氫、一氧化碳、氧氣、二氧化硫、磷化氫、氨氣、二氧化氮、氰化氫、氯氣、二氧化氯、臭氧和可燃?xì)怏w等多種氣體，廣泛應(yīng)用在石化、煤炭、冶金、化工、市政燃?xì)狻?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1453/" target="_blank">環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)等多種場(chǎng)所現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。此外，它也可以實(shí)現(xiàn)特殊場(chǎng)合測(cè)量需要，可對(duì)坑道、管道、罐體、密閉空間等進(jìn)行氣體濃度探測(cè)或泄漏探測(cè)。

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS，Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）是一種使用可調(diào)諧二極管激光器和激光吸收光譜法測(cè)量氣體混合物中某些物質(zhì)（如甲烷、水蒸氣等）濃度的技術(shù)。與其他濃度測(cè)量技術(shù)相比，TDLAS 的優(yōu)勢(shì)在于它能夠?qū)崿F(xiàn)非常低的檢測(cè)限制（ppb級(jí)）。除了濃度之外，還可以確定所觀察氣體的溫度、壓力、速度和質(zhì)量通量。TDLAS 是迄今為止最常見(jiàn)的基于激光的吸收技術(shù)，用于定量評(píng)估氣相中的物質(zhì)。

TDLAS可調(diào)二極管激光吸收光譜技術(shù)是利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的窄線(xiàn)寬和波長(zhǎng)隨調(diào)制改變的特性實(shí)現(xiàn)對(duì)分子的單個(gè)或幾個(gè)距離很近很難分辨的吸收線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量。

TDLAS技術(shù)主要是通過(guò)檢測(cè)待測(cè)氣體分子的一條孤立振轉(zhuǎn)吸收譜線(xiàn)進(jìn)行氣體檢測(cè)的。在探測(cè)低濃度氣體時(shí)，由于吸收信號(hào)比較弱，通常要結(jié)合長(zhǎng)光程技術(shù)以及諧波檢測(cè)手段來(lái)提高氣體探測(cè)的靈敏度。根據(jù)Lambert-Beer定律可知，一束光通過(guò)氣體時(shí)會(huì)發(fā)生衰減。

TDLAS氣體檢測(cè)技術(shù)原理

TDLAS氣體檢測(cè)原理圖

當(dāng)LD激光二極管出光通過(guò)氣體腔，用PD光探測(cè)器對(duì)LD的光功率進(jìn)行接收。

隨著調(diào)制，激光器輸出光功率、出光波長(zhǎng)將會(huì)隨之改變，經(jīng)過(guò)氣體腔后，對(duì)應(yīng)的輸出光功率和出光波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生變化。若在波長(zhǎng)掃頻的范圍內(nèi)，光沒(méi)有被氣體吸收，即沒(méi)有出現(xiàn)氣體吸收線(xiàn)，那么PD接收的光功率與LD輸出的光功率是相同的；若在波長(zhǎng)范圍內(nèi)出現(xiàn)吸收線(xiàn)，則PD端接收的光功率的線(xiàn)譜會(huì)有凹陷，而通過(guò)凹陷處的波長(zhǎng)和深度，即可判斷該氣體的種類(lèi)和強(qiáng)度。

而為了反應(yīng)真實(shí)的光吸收情況，就必須對(duì)激光波長(zhǎng)或頻率曲線(xiàn)進(jìn)行掃描。

TDLAS氣體檢測(cè)中頻率控制基本方法

通常，調(diào)整激光器出光頻率有四種基本方法，即改變二極管的溫度、改變壓電執(zhí)行器（用于控制光柵位置和角度）的電壓、調(diào)整驅(qū)動(dòng)激光二極管的電流和改變腔內(nèi)EOM的電壓。

腔內(nèi)EOM方法不太常見(jiàn)，它可以快速改變折射率，但頻率調(diào)整的范圍通常非常小。

改變二極管的溫度，可以大幅度改變激光頻率（調(diào)諧系數(shù)一般是0.1nm/K），從而達(dá)到波長(zhǎng)掃描的目的。但二極管溫度改變需要時(shí)間較長(zhǎng)，通常需要幾秒鐘，只適合調(diào)節(jié)波長(zhǎng)的大致范圍。

通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)激光二極管的電流會(huì)改變半導(dǎo)體的折射率，因此也會(huì)導(dǎo)致頻率變化。典型的調(diào)諧系數(shù)約為0.1GHz/mA。調(diào)制電流已經(jīng)允許調(diào)制具有幾MHz帶寬的激光頻率。因此，它是用于減小激光線(xiàn)寬的典型“致動(dòng)器”。

壓電式調(diào)整是一種非常快速的調(diào)整，可在毫秒甚至亞毫秒的時(shí)間內(nèi)將光柵位置和角度調(diào)整完成，滿(mǎn)足快速頻率變化要求。并且，通過(guò)壓電式調(diào)整的方法可在大范圍內(nèi)調(diào)整頻率，幾Hz至kHz均可。

此外，壓電式調(diào)整方法也常用于抵消較慢的頻率漂移。

基于壓電技術(shù)的頻率控制

通常，壓電執(zhí)行器是用于鎖定相位和頻率反饋回路中的執(zhí)行組件。它根據(jù)控制信號(hào)執(zhí)行相位和頻率調(diào)整。

因?yàn)椴煌郎y(cè)氣體的吸收譜線(xiàn)不同，所以激光器的輸出激光波長(zhǎng)需要產(chǎn)生周期性變化，使激光中心波長(zhǎng)調(diào)節(jié)至待測(cè)氣體的吸收譜線(xiàn)，產(chǎn)生選擇性的吸收。激光器輸出波長(zhǎng)的周期性變化，就可利用壓電執(zhí)行器進(jìn)行調(diào)節(jié)。壓電執(zhí)行器具有響應(yīng)速度快、精度高的特點(diǎn)，非常適于輸出光譜線(xiàn)調(diào)節(jié)。

不僅在TDLAS氣體檢測(cè)技術(shù)中可用到壓電執(zhí)行器，在OPLAS開(kāi)路氣體檢測(cè)分析中，也會(huì)用到壓電執(zhí)行器。

OPLAS（Open Path Laser Absorption Spectroscopy）開(kāi)放路徑激光吸收光譜技術(shù)與TDLAS類(lèi)似，但OPLAS不需要將樣品氣體泵入氣體吸收單元再進(jìn)行分析。OPLAS系統(tǒng)對(duì)激光點(diǎn)質(zhì)量和光學(xué)設(shè)備的要求更高。例如，低濃度氨氣的檢測(cè)是相對(duì)較難的，在檢測(cè)氨氣濃度較低的氣體環(huán)境時(shí)，可通過(guò)壓電執(zhí)行器進(jìn)行光源的轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)，快速定位激光掃描中心位置，再通過(guò)壓電執(zhí)行器在一定范圍內(nèi)進(jìn)行激光快速掃描。該方法甚至可以進(jìn)行達(dá)1000米長(zhǎng)距離的氣體濃度檢測(cè)。

OPLAS基本結(jié)構(gòu)圖

TDLAS氣體檢測(cè)中壓電執(zhí)行器的選型

芯明天具有成千上萬(wàn)種壓電執(zhí)行器與相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制產(chǎn)品，在壓電執(zhí)行器的選型時(shí)，主要看相應(yīng)TDLAS氣體檢測(cè)內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)需要調(diào)節(jié)的光路參數(shù)。

通常，氣體檢測(cè)儀的體積較小，因此對(duì)部件的尺寸要求越小越好。

1）芯明天PZT疊堆式壓電執(zhí)行器

芯明天PZT疊堆式壓電執(zhí)行器具有非常多的尺寸和型號(hào)，最小的尺寸可達(dá)1.22×1.3×1.7mm^3，位移可達(dá)1μm。壓電陶瓷疊堆的橫截面積有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，橫截面積越大，相應(yīng)的壓電陶瓷的出力越大?？筛鶕?jù)需要的位移范圍值來(lái)選擇高度，高度越高，位移越大。

最終的選型將取決于出力要求、位移要求及空間限制等因素。

芯明天壓電陶瓷疊堆

芯明天壓電陶瓷疊堆參數(shù)

注：因產(chǎn)品型號(hào)較多，此處僅展示一部分，更多參數(shù)請(qǐng)聯(lián)系芯明天銷(xiāo)售工程師。

2）芯明天封裝式壓電陶瓷促動(dòng)器

為了在使用環(huán)境中得到更好的保護(hù)和應(yīng)用，芯明天提供封裝式壓電陶瓷促動(dòng)器，它將PZT壓電陶瓷疊堆封裝于內(nèi)部，使其免受于磕碰、濕度等影響。

此外，封裝式壓電陶瓷促動(dòng)器內(nèi)部對(duì)PZT壓電陶瓷預(yù)加有預(yù)緊力，使其更適合于動(dòng)態(tài)應(yīng)用。

芯明天封裝式壓電陶瓷促動(dòng)器

封裝式壓電陶瓷促動(dòng)器的移動(dòng)端可選擇平頭、球頭、內(nèi)螺紋、外螺紋連接，也可選擇定制連接方式。

芯明天封裝壓電陶瓷促動(dòng)器參數(shù)

注：因產(chǎn)品型號(hào)較多，此處僅展示一部分，更多參數(shù)請(qǐng)聯(lián)系芯明天銷(xiāo)售工程師。

增加氣體腔長(zhǎng)，可提高吸收靈敏度

對(duì)于濃度較低的氣體的檢測(cè)，就需要更高的氣體吸收靈敏度。

可采用增加氣體腔長(zhǎng)度來(lái)提高氣體吸收的靈敏度，但這會(huì)導(dǎo)致氣體檢測(cè)設(shè)備的體積變得更加龐大。為解決體積龐大的問(wèn)題，很多氣體檢測(cè)設(shè)備在氣體腔的兩端加上特殊的低損耗反射鏡片。激光器發(fā)出的光在氣體腔內(nèi)被反射鏡片來(lái)回反射，從而使得光與氣體有更多的接觸，使得光通過(guò)氣體的距離變長(zhǎng)，從而提高測(cè)試的高靈敏度，較微弱的吸收線(xiàn)也可被檢測(cè)。

注：僅供參考，不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同。

因?yàn)楣庖跉怏w腔內(nèi)來(lái)回振蕩，所以需要LD的線(xiàn)寬盡可能的窄。

當(dāng)然，上述只是TDLAS結(jié)構(gòu)中的一種，每個(gè)TDLAS設(shè)備的結(jié)構(gòu)都會(huì)有差別。

氣體敏感波長(zhǎng)列表

為大家附上網(wǎng)絡(luò)上查詢(xún)到的氣體敏感波長(zhǎng)參數(shù)，如下表所示。

最后，感謝您對(duì)芯明天的關(guān)注！歡迎留言討論！

審核編輯：湯梓紅