利用可调谐半导体激光吸收光谱技术对气体浓度

第25卷 第15期 2005年8月 中 国 电 机 工 程 学 报

Proceedings of the CSEE Vol.25 No.15 Aug. 2005

©2005 Chin.Soc.for Elec.Eng.

文章编号：0258-8013（2005）15-0121-06 中图分类号：TK314 文献标识码：A 学科分类号：470 20

利用可调谐半导体激光吸收光谱技术对

气体浓度的测量

李 宁，王 飞，严建华，马增益，岑可法

（浙江大学能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室，浙江省 杭州市 310027）

THE TUNABLE DIODE LASER ABSORPTION SPECTROSCOPY FOR GAS

CONCENTRATION MEASUREMENT

LI Ning, WANG Fei, YAN Jian-hua, MA Zeng-yi, CEN Ke-fa

（Zhejiang University, Clean Energy and Environment Engineering Key Laboratory of Ministry of Education,

Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China）

ABSTRACT: The technique based on tunable diode laser absorption spectroscopy （TDLAS） has been developed to realize the real-time and dynamic measurement of the combustion-generated pollutants. In this paper the fundamental of the measurement using TDLAS is presented. By setting up the mathematic model of CO2 absorption line at 6359.97cm 1 and making use of the parameters from the high-resolution transmission molecular absorption database, the effects of scanning step length、temperature、pressure and absorbance random error on the gas concentration measurement are discussed. The minimum detectivity as a function of temperature and pressure is also analyzed. The result can be useful for the practical application and further study.

KEY WORDS: Diode laser; Absorption line; Lineshape function; Gas concentration measurement

摘要：运用可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术可以实现燃烧生成污染物的实时动态在线测量。该文给出了利用TDLAS技术进行测量的基本原理。通过建立CO2在6359.97cm 1处的吸收谱线模型，并结合HITRAN高精度迁移分子吸收数据库相关参数，讨论了激光扫描步长、温度、压强和光谱吸收率随机误差对于气体浓度测量的影响，并且分析了最小可探测浓度随温度、压强的变化情况。结论可为实际应用及进一步研究提供参考。

关键词：半导体激光器；吸收谱线；线型函数；气体浓度测量

度快、精度高等优点。目前，国内的研究学者对光

学方法在燃烧领域中的应用已经进行了大量的研究，如利用火焰图像对温度场进行测量[1-2]，利用光脉动测量煤粉浓度[3]，利用光信号互相关[4]和激光干涉[5]测量两相流中颗粒速度等等，但是对于烟气成分测量的研究较少。烟气大部分来源于能源、电力、化工、冶金、纺织、制药、垃圾焚烧等各种工业过程，这些烟气含有大量的对人体有害的物质，必须对其排放量进行严格控制。传统的气体测量装置，如利用化学发光原理或热导式的气体测试仪，需要对气体进行取样，无法实现对过程中的气体进行在线实时测量的要求。采用TDLAS技术，除了可以满足上述要求外，还具有较高的测量精度、快的测量响应速度和较少的维护工作量。由于使用非接触式光学测量的原理，还具有适应高温、高粉尘、高水分等恶劣环境的特点。

与其他的激光器比较，半导体激光器工作在室温，易于操作，便于维护。半导体激光器光谱宽度与其他种类的激光器相比较窄，更比被测气体吸收谱线的谱宽要窄的多，对于测量是足够的。更重要的是，随着在通讯行业的广泛应用，其价格也大幅度降低。

2 基本测量原理

2.1 气体的体积浓度

TDLAS技术用于对于气体浓度的测量，其基本原理是根据Beer-Lambert定律[6-10]：

1 引言

采用光学方法对燃烧污染物进行测量具有速