一、簡介
氣體分析檢測是保障安全生產(chǎn)、環(huán)境質(zhì)量、人體健康乃至科學(xué)研究的重要手段，廣泛應(yīng)用于工業(yè)安全監(jiān)測、環(huán)保監(jiān)測、實驗室分析、和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。氣體分析方法種類繁多，各有優(yōu)勢與局限。相比于電化學(xué)法，光學(xué)方法擁有更高的靈敏度與精度，更快速的響應(yīng)，更強的抗干擾能力。如今市面上常見的光學(xué)氣體分析方法包括：NDIR，TDLAS，F(xiàn)TIR，NDUV等。
二、測量原理
以上四種方法（NDIR，TDLAS，F(xiàn)TIR，NDUV）都是基于比爾-朗伯定律的，當一束平行單色光透過被測氣體時，被測氣體對特定波長的光具有吸收作用。吸收會造成能量的衰減，其吸光度與吸光物質(zhì)的濃度及吸收層厚度成正比。
其中A為吸光度，I0為入射光強度，It為透射光強度，T為透射比/透光度，K為吸收系數(shù)，l為吸收介質(zhì)的厚度，c為吸光物質(zhì)的濃度。
三、氣體分析方法詳述
3.1可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）
TDLAS是一種基于激光吸收光譜的高精度氣體檢測技術(shù)。TDLAS利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的窄線寬和波長隨注入電流改變的特性實現(xiàn)對分子的單個或幾個距離很近很難分辨的吸收線進行測量。TDLAS的優(yōu)勢在于其非接觸性和高靈敏度，能夠?qū)崟r監(jiān)測氣體濃度，且不受背景氣體干擾。可采用多種調(diào)制方式，如波長調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制等，以提高檢測靈敏度和抗干擾能力。常用于O2、H2O、CH4和NH3等氣體的檢測。
TDLAS的系統(tǒng)組成：
TDLAS系統(tǒng)由可調(diào)諧二極管激光器（VCSEL）、氣體吸收池、探測器（硅Si或銦鎵砷InGaAs光電二極管等）和控制分析單元組成。可調(diào)諧二極管激光器發(fā)射特定波長的光，經(jīng)氣體吸收池到達探測器，采集系統(tǒng)采集信號并進行數(shù)據(jù)處理，計算出氣體濃度值。
3.2非分散紅外光譜法（NDIR）
NDIR技術(shù)因其簡單易用而成為目前最常用的氣體檢測方法之一。與其他檢測方法相比，NDIR技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在其在3-16um波長范圍內(nèi)的強吸收能力。這種強吸收特性使得NDIR能夠在較短的光程下，利用高性價的組件來檢測相對低濃度的氣體。常見的可檢測氣體包括CH4、CO2和CO等。
NDIR組成：
NDIR系統(tǒng)包括黑體光源、氣室、探測器、放大電路以及數(shù)據(jù)處理器。光源可選擇黑體光源或中紅外LED。探測器有光子型和熱型兩種，可選擇熱釋電、熱電堆以及鉛鹽探測器（PbS和PbSe）等。
3.3 傅里葉變換紅外光譜法（FTIR）
FTIR是一種用來獲得固體、液體或氣體的紅外線吸收光譜的技術(shù)，是一種以高光譜分辨率收集大范圍光譜數(shù)據(jù)的方法。FTIR的優(yōu)點包括掃描速度快，分辨率高；光通量大，靈敏度高；光譜范圍寬，測量精度高。
FTIR的系統(tǒng)組成：
FTIR主要由紅外光源（黑體光源）、干涉儀（VCSEL 850/852nm激光器）、樣品池、探測器（碲鎘汞（MCT）或DLATGS材料的熱釋電探測器）以及計算機等組件組成。FTIR的運行流程可以概括為：光源發(fā)射紅外線 – 干涉儀產(chǎn)生干涉光 – 干涉光通過樣品到達檢測器 – 探測器將光強轉(zhuǎn)換為電信號 – 傳入計算機進行數(shù)據(jù)處理。
與傳統(tǒng)的氦氖激光器相比，VCSEL的優(yōu)勢包括單縱模輸出、波長穩(wěn)定性好、光束質(zhì)量高（圓形對稱光斑）、高發(fā)光效率以及高調(diào)制速度等優(yōu)點。這使得VCSEL特別適合應(yīng)用在要求低功耗、高速、集成度高的場景中。
3.4 NDUV（非分散紫外光譜法）
NDUV技術(shù)與NDIR相似，只不過其使用的光源與探測器位于紫外波段，常見的應(yīng)用是測量臭氧在254nm處的吸收能力。
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