痕量有害氣體檢測的專利技術發展綜述

陳紫容

摘 要：本文主要綜述了痕量有害氣體檢測的專利技術發展過程，主要從反應測定原理，測定裝置及反應測定組分方面論述了痕量有害氣體檢測的專利技術發展歷程。具體從化學反應測定到激光吸收測定，從激光吸收測定到可調諧激光測定，從單組分測定到多組分同時測定，從氣體池測定到氣體遙感測定。

關鍵詞：氣體檢測；化學反應；激光吸收；單組分；多組分；遙感

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.233

當前環境污染日益嚴重，如全球氣候變暖和臭氧層的破壞，酸雨、光化學煙霧等。環境污染使得大量對生態環境和人類健康威脅大的有毒有害氣體日益增加，其中，排放量大的有毒有害氣體主要有：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）等溫室氣體，氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）、鹵代烴、揮發性有機物（VOCs）等有毒有害氣體，它們的濃度主要在ppt-ppm量級范圍內。因此，痕量有害氣體的檢測對于生態環境保護和人類健康具有至關重要的意義。本文對痕量有害氣體檢測的專利發展歷程進行如下綜述。

1 由化學反應測定到激光吸收測定

傳統的采用化學反應測量室內痕量有害氣體濃度的裝置（公開號：CN87209935U[1]），室內痕量有害氣體與檢測元件中的化學物質反應，反應完成后，通過反應產物的量來判斷痕量有害氣體的濃度。雖然上述裝置原理簡單，但是，由于化學反應通常進行的比較緩慢，導致測量時間長，且痕量氣體的化學反應測定準確度及精度較差，不利于環境中痕量有害氣體的連續測量。

中國科學院半導體研究所于2006年5月17日申請了一種采用激光探測室內有害氣體濃度的系統，其公開號為：CN101074923A[2]，其采用分光鏡將激光器的輸出激光分為兩束，其中一束輸出光對準室內痕量有害氣體通道的入口，并在室內痕量有害氣體通道光路上設置第一光電探測器，另外一束輸出光的光路上設置第二光電探測器，采第一光電探測器和第二光電探測器均與比較電路相連，比較電路與顯示器相連。本裝置采用擴束和分光監測的方法，克服了采用化學反應測量痕量有害氣體濃度的上述缺陷。

2 由激光吸收測定到可調諧激光測定

2006年10月17日，中國科學院安徽光學精密機械研究所申請了一種新型節點式瓦斯濃度實時監測方法傳感器，公開號為：CN1945287A[3]，采用近紅外波段DFB半導體激光器，采用單模光纖功率耦合器將DFB半導體激光器輸出的激光分成多束，采用光纖將輸出的激光導入到井下多個光纖氣體吸收池，采用光纖將經氣體吸收后的激光導出到輸入光開關，經過校準池的選擇信號入射到探測器上，將波長調制技術和二次諧波技術相結合，達到高靈敏、高分辨、無干擾快速檢測瓦斯濃度的目的。利用背景光強信號擬合消除光強波動對檢測帶來的影響。

3 由單組分氣體測定到多組分氣體測定

2008年11月14日，香港理工大學申請了一種變壓器故障氣體檢測系統及方法，公開號為：101738382A[4]，光纖氣體傳感器利用三個分布反饋式（DFB）激光器作為光源。三個分布反饋式激光器可分別輸出甲烷、乙烷及乙炔的氣體吸收特征波長譜線。通過改變DFB激光器的工作溫度使得DFB激光器輸出光的中心波長掃描過特定的氣體吸收譜線（例如，甲烷、乙烷及乙炔氣體），同時采用FPGA產生頻率為f的正弦信號作電流調制，從而實現諧波檢測。經調制的輸出光通過光隔離器傳輸至光纖氣體傳感探頭，再由多通道光探測器對其進行光電轉換。電信號經過多通道窄帶帶通濾波器進行濾波、放大，信號的頻率為電流調制頻率的一倍或者兩倍，即為一次或二次諧波信號。一次或二次諧波信號經A/D轉換后，再由FPGA進行鎖相放大檢測，最后由工控機對經過鎖相放大的數據進行分析，從而判斷出變壓器內三種氣體的濃度組分。

4 由氣體池測定到氣體遙感測定

2012年8月20日，杭州電子科技大學申請了一種基于量子級聯激光器的汽車尾氣遙感檢測系統和方法，公開號為：CN102798609A[5]。任意函數發生器產生的信號輸入激光器電流脈沖驅動模塊，量子級聯激光器在激光器電流脈沖驅動模塊的驅動下產生中紅外或遠紅外的激光，中紅外至遠紅外經過行駛中的汽車尾氣排放區域后通過斬波器得到調制信號，熱釋電傳感器模塊探測經過調制的中紅外或遠紅外的激光信號，同時熱釋電傳感器將探測得到的信號輸入鎖相放大器運算，鎖相放大器的輸出數據到計算機，計算機通過數據處理分析方法將汽車尾氣中不同排放產物的含量計算出來。

近年來，痕量氣體檢測技術發展迅速，檢測組分逐漸增多，檢測濃度限逐漸降低，檢測速度及準確度逐漸提高，為環境中痕量有害氣體的快速檢測奠定基礎。

參考文獻：

[1]劉討米.CN 87209935U[P].1988（09）.

[2]中國科學院半導體研究所.CN 101074923A[P].2007（11）.

[3]中國科學院安徽光學精密機械研究所.CN 1945287A[P].2007（04）.

[4]香港理工大學.CN 101738382A[P].2010（06）.

[5]杭州電子科技大學.CN 102798609A[P].2012（11）.