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硬件开发者之路之——TDLAS光谱吸收技术浅析

已有 10572 次阅读| 2017-11-19 11:04 |个人分类:技术生涯|系统分类:硬件设计

随着环保问题的日益严峻，目前针对环境污染物的检测技术也在蓬勃发展，在检测领域的技术实现方式有很多种，大类上来说有生物手段、化学手段等，光学检测也是这其中非常重要的一项技术。光学检测中的光谱分析技术自发展以来也有很多种方式，根据目前个人工作中涉及到的其中一项TDLAS（可调谐半导体激光吸收光谱）技术来讲讲该技术在目前环境监测领域的应用。这也是目前检测光谱分析中应用最广泛的成熟技术之一。

一、光谱吸收原理基本介绍

光是波，具有波粒二象性

每一种光对应特定波长，即对应特定能量

原子吸收能量后发生跃迁;

吸收谱峰：原子对光谱的吸收不是特定某一波长，而是具有波段和谱峰。

光电磁波光谱范围图：

检测技术中用的主要用的是红外波段和紫外波段，中间又分为近红外、中红外和远红外，及紫外。

红外吸收和紫外吸收的特点（详细原理涉及光谱学和量子力学，未能深入）：

红外吸收属于分子振动光谱，波长长，能量小，光谱复杂，特征性强；紫外吸收属于电子跃迁光谱，波长短，能量高，电子光谱，光谱简单，特征性弱。

基本来说红外吸收的方式应用更广泛和复杂，紫外吸收相对简单，但各有所选。

二、TDLAS吸收原理简介

上述可知分子或者原子都会对特定波长（能量）进行吸收，那么吸收方式有两种：直接吸收和调制吸收

直接吸收：类似直流，驱动发光-吸收-接收转换。

调制吸收：类似交流，调制-驱动发光-吸收-接收转换。

优缺点：

直接吸收：结构简单，成本低，但容易受干扰，尤其是低频干扰，所以灵敏度低。

调制吸收：结构稍微复杂，最大优点就是避开低频干扰，检测谐波值，灵敏度高。其中分为波长调制和频率调制，频率调制频率很高，技术复杂，灵敏度更高。

重要理论：Beer-Lambert定律，根据吸收量反演待测物浓度公式

光谱学中几个重要概念：

1、吸收线宽：反应的是吸收谱峰的集中特性

2、吸收线型：上图中对应的函数类型，即展宽线型。

1）高斯线型（成因于分子的受热多普勒运动）

2）洛伦茨线型（成因于分子的碰撞运动）

3）伏格特线型（多普勒和碰撞运动二者结合）

不同线型对应侧重点不同的环境：

三、TDLAS的驱动原理

通过改变激光器的驱动电流来改变激光的波长，实现扫描，找到最佳吸收点。

驱动波形采用的是低频锯齿波叠加高频正弦波的方式，三角波为扫描作用决定输出强度，正弦波为调制作用。

如图波形：

接收和解调：

经过调制的光通过充满待测气体的吸收空间后通过光电传感器得到信号，然后进行解调得到我们需要的信号，进一步计算得到待测物的吸收信息。

关于解调方式可参考之前的博文：基于锁相放大器的小信号检测技术分析

现在说说谐波的提取：

吸收信息埋在被调制的信号里，那么提取什么信号才能更好的用来计算最终的待测物信息。直流值、一次谐波、二次谐波、三次谐波......。

下图是二次谐波与待测物浓度之间的关系：

可见，二次谐波与浓度成很好的线型关系，所以一般采取提取二次谐波来计算。

下图是几种谐波波形：

四、小结

以上是非常浅显简单的TDLAS检测技术系统初步介绍，具体应用时会涉及到非常多的问题，光路的结构，应用环境的影响，检测信号的处理，谱图的分析处理等等等，每一步展开都是比较繁杂的技术。我对此也是出于相当模糊的学习当中，主要还是关注在信号检测和处理这一点，后续会研究基于matlab进行一些相关参数的建模分析，以期能够在实际应用中予以理论指导。

其实技术学习永无止境，技术也只是手段，系统和产品才是核心。个人觉得搞技术的同学除了钻研技术，最好多关注产品和应用，不然只是钻技术只能陷入牛角尖，而且对公司而言，技术平台一旦建立，后续的主要的工作就是维护，哪有那么多新东西玩，所以关注产品，关注应用，关注行业和市场，或许对于未来能有更多的把握机会吧，与君共勉！