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摘 要：近些年红外混合气体检测已广泛应用于诸多领域，包括大气化学分析、工业过程控制、农业生产管理，城市环境质量检测、生命科学研究等。目前，气体检测的方法有很多种，其中较为普遍的是采用红外光谱技术进行气体检测分析。它克服了传统气体检测分析方法设备易老化，抗干扰能力弱的弊端，优点是反应速度快，测量结果真实可靠，因此具有良好的发展前景。
关键词：红外光谱技术;气体检测;应用
1 红外光谱吸收原理
众所周知，光是由许多单一颜色的光组成的，每种气体都具有一种性质：可以吸收对应频率的红外光能量，气体吸收红外光能量中频率最高的被称为气体的特征吸收频率。当光线穿透气体时，气体吸收特征频率谱线光，导致光的能量下降。研究表明，每种气体在红外辐射波段都有不同数目的特征吸收谱线。
由于特征频率是由一定频率范围内的光组成的，因此特征吸收频率具有一定的带宽，并且带宽中每个频率被吸收的量不尽相同。通过相应的吸收模型和计算公式可以计算出红外光线穿过气体时被吸收能量的多少。气体的浓度变化、光线穿过气体时所走的路程、光线能量衰减的程度，三者的关系符合光吸收基本定律。
2 红外光谱技术的优点
2.1选择性好
由于每种气体都具有特定的红外吸收频率，因此在检测混合气体时，由于各种气体都具有各自的特征频率光谱，彼此之间互相隔离，互不干扰，使检测混合气体中的某种特定的气体成为可能。
2.2反应灵敏，可靠性高
采用传统的检测方法做气体检测时，开启检测系统后往往无法直接工作，而是需要经过一段比较长的预热时间。而采用红外光谱技术的气体检测设备，在开机后短时间内就可以进行工作。即使气体浓度仅仅发生微小变化，它也可以及时检测到，反应十分灵敏。在实际检测过程中，基于某些检测方法设计的检测系统很容易因为设备发热等因素，导致测量的准确性和检测出的数据不可靠。而采用红外光谱吸收技术设计的气体检测设备，由于它是通过光信号来工作的，所以不会引起系统温度升高等情况的出现，测量的数据不受干扰因素的影响，测量的稳定性和可靠性较高。
2.3安全性高，可操作性强
红外光谱技术设计的检测设备采用的是光信号，与传统设备采用电信号相比，在煤矿等易燃易爆气体集聚的场合，不会引起气体燃烧和爆炸等情况的发生，具有较高的防爆性和安全性。由于每种仪器都具有各自的适用范围，当气体浓度超过一定数值时容易引起元件的老化和中毒等情况，使测量结果出现偏差。采用红外光谱技术来检测气体，可以避免这些情况的出现。而且采用红外光谱技术产生的干扰信号弱，系统的信噪比较高。除此之外，系统具有灵敏度自动补偿功能和零点自动补偿功能，因此不需要定时校准，可操作性较强。
3 红外光谱检测技术的应用
3.1直接吸收光谱技术
直接吸收光谱技术应用时间比较早，应用范围比较广。它是以朗伯比尔定律为原理研制出的检测方法。由于气体与光发生作用的路径长度与气体对光的吸收成正比关系。因此，光和气体作用的路径越长，被气体吸收的光就会越多，探测的反应就会越快，测量的结果也更加可靠。随着研究的进一步深入，直接吸收光谱技术从刚开始使用的单程光，逐渐发展到后来使用双光程，到现在使用具有多次反射能力的长光程。多光程气室分为怀特气室、赫里欧气室和散射反射镜多光程气室三种。多反射长光程气室可以产生几百次反射，得到的光程长度从几十米到几公里不等。在这样的光程下，探测灵敏度得到进一步提升。
3.2光声光谱技术
光声光谱技术的原理是气体在吸收光辐射的过程中会产生声学波，它是根据光声效应开发出来的检测技术，所以可以利用它来检测气体。与其它的红外光谱技术不同的是，光声光谱技术是一个间接的检测技术，它不直对整个过程进行检测，而是探测气体在吸收光的过程中引起的温度和压力的变化。由于气体在吸收光的过程中，气体的温度会发生变化，从而导致压力的变化或产生声学波，光声光谱技术可以利用这些因素的变化达到检测气体的目的。
4 地面气体检测应用分析
红外光谱技术应用非常广泛，但对多组分混合气体的在线定量分析目前仍是国际上的研究难题之一，特别是涉及到具有同种分子基团、分子结构接近的气体，更是如此。前文所述的红外气体检测仪，由于无法解决混合烷烃类气体检测的难题，只可单一检测到甲烷或重烃，或者检测非烃类气体（如CO2）。其主要原因如下：
①需要大量样本集标定，建立定量分析模型难;
②目标气中各烷烃成分的红外吸收光谱严重交互叠加，有交叉干扰现象，定性识别难;③每种气体的吸收光谱具有一定的非线性，尤其在非目标气体干扰及环境变化时，微量气体准确辨识难。
针对红外光谱技术在录井气体检测中存在的气体交叉干扰问题，可采用一种基于可调谐激光二极管的吸收光谱法（TDLAS）来进行气体检测，以有效地解决这一问题。该方法同样应用红外吸收光谱技术原理，都是基于朗伯-比尔定律。不同之处在于，TDLAS方法是以可调谐半导体激光器作为光源，半导体激光器发射出特定波长的激光束穿过被测气体时，被测气体对激光束的吸收导致激光强度衰减，探测器探测到激光强度的衰减程度与被测气体含量正相关。
传统红外光源光谱线宽很大，得到的吸收光谱除被测气体吸收谱线外，还有很多背景气体的吸收谱线，以多组分混合烷烃气体为代表，这样就会导致气体交叉干扰。与传统的红外光谱吸收技术相比，可调谐半导体激光束线宽远小于被测气体单吸收谱线宽度和传统红外光源光谱线宽，具有“单线”特征，从根本上避免了气体交叉干扰的问题，具有很高的准确度和可靠性，因而可以作为录井气体检测下一步的研究方向。
随着气体分析技术、电子技术、精密加工工艺技术的快速发展，井下气体检测已经成为国内外主要发展方向。微电子机械系统（MEMS）技术的发展使仪器小型化、微型化成为可能，近年来国外已有关于微型色谱分析仪的报道，国内也有微型色谱分析仪的相关产品报道，标志着录井井下气体检测技术向前迈出了重要一步。随钻气体检测技术正朝着井下检测实时化、快速化、连续化方向发展。微型色谱分析仪主要由微型色谱柱和微型气体检测器组成。微型色谱柱可以实现对混合气体各组分的分离，因此可以在气体检测前端配套使用，配合之后的微型气体检测器，实现多组分气体的检测。
5 结束语
近些年，红外混合气体检测系统的光谱覆盖范围、光谱分辨率、系统响应时间等特性逐步改善。当前，太赫兹（THZ）等新技术使混合气体检測的范围扩展到亚毫米波范围，从而使混合检测步入新阶段（凝聚态物质和生物大分子），混合气体检测将围绕THZ技术的应用展开，不仅对气体的浓度进行检测，还将对其结构、性质等做进一步分析。与此同时，红外成像技术（CCD成像、多色探测等）和通信技术（中红外光纤通讯、无线通讯等）等其他领域中成熟的技术，将有助于混合气体检测系统进行更广泛的信息摄取。未来数年，混合气体检测所产生的数据量将会呈爆炸式增长趋势，而目前兴起的大数据处理技术会成为其有效的应对方案。然而，实现多种气体的同时分析必然导致系统的复杂化，设计成本的增加，如何降低系统复杂度，降低成本，实现便携式以至于微型化的“芯片”级设计，是将来迫切需要解决的问题。
参考文献：
[1]谭秋林.红外光学气体传感器及检测系统[M].北京：机械工业出版社，2013：59-73.
[2]李黎，张宇，宋振宇，等.红外光谱技术在气体检测中的应用[J].红外，2011，28（9）：28-36.
（汉威科技集团股份有限公司，河南 郑州 450001）
关键词：红外光谱技术;气体检测;应用
1 红外光谱吸收原理
众所周知，光是由许多单一颜色的光组成的，每种气体都具有一种性质：可以吸收对应频率的红外光能量，气体吸收红外光能量中频率最高的被称为气体的特征吸收频率。当光线穿透气体时，气体吸收特征频率谱线光，导致光的能量下降。研究表明，每种气体在红外辐射波段都有不同数目的特征吸收谱线。
由于特征频率是由一定频率范围内的光组成的，因此特征吸收频率具有一定的带宽，并且带宽中每个频率被吸收的量不尽相同。通过相应的吸收模型和计算公式可以计算出红外光线穿过气体时被吸收能量的多少。气体的浓度变化、光线穿过气体时所走的路程、光线能量衰减的程度，三者的关系符合光吸收基本定律。
2 红外光谱技术的优点
2.1选择性好
由于每种气体都具有特定的红外吸收频率，因此在检测混合气体时，由于各种气体都具有各自的特征频率光谱，彼此之间互相隔离，互不干扰，使检测混合气体中的某种特定的气体成为可能。
2.2反应灵敏，可靠性高
采用传统的检测方法做气体检测时，开启检测系统后往往无法直接工作，而是需要经过一段比较长的预热时间。而采用红外光谱技术的气体检测设备，在开机后短时间内就可以进行工作。即使气体浓度仅仅发生微小变化，它也可以及时检测到，反应十分灵敏。在实际检测过程中，基于某些检测方法设计的检测系统很容易因为设备发热等因素，导致测量的准确性和检测出的数据不可靠。而采用红外光谱吸收技术设计的气体检测设备，由于它是通过光信号来工作的，所以不会引起系统温度升高等情况的出现，测量的数据不受干扰因素的影响，测量的稳定性和可靠性较高。
2.3安全性高，可操作性强
红外光谱技术设计的检测设备采用的是光信号，与传统设备采用电信号相比，在煤矿等易燃易爆气体集聚的场合，不会引起气体燃烧和爆炸等情况的发生，具有较高的防爆性和安全性。由于每种仪器都具有各自的适用范围，当气体浓度超过一定数值时容易引起元件的老化和中毒等情况，使测量结果出现偏差。采用红外光谱技术来检测气体，可以避免这些情况的出现。而且采用红外光谱技术产生的干扰信号弱，系统的信噪比较高。除此之外，系统具有灵敏度自动补偿功能和零点自动补偿功能，因此不需要定时校准，可操作性较强。
3 红外光谱检测技术的应用
3.1直接吸收光谱技术
直接吸收光谱技术应用时间比较早，应用范围比较广。它是以朗伯比尔定律为原理研制出的检测方法。由于气体与光发生作用的路径长度与气体对光的吸收成正比关系。因此，光和气体作用的路径越长，被气体吸收的光就会越多，探测的反应就会越快，测量的结果也更加可靠。随着研究的进一步深入，直接吸收光谱技术从刚开始使用的单程光，逐渐发展到后来使用双光程，到现在使用具有多次反射能力的长光程。多光程气室分为怀特气室、赫里欧气室和散射反射镜多光程气室三种。多反射长光程气室可以产生几百次反射，得到的光程长度从几十米到几公里不等。在这样的光程下，探测灵敏度得到进一步提升。
3.2光声光谱技术
光声光谱技术的原理是气体在吸收光辐射的过程中会产生声学波，它是根据光声效应开发出来的检测技术，所以可以利用它来检测气体。与其它的红外光谱技术不同的是，光声光谱技术是一个间接的检测技术，它不直对整个过程进行检测，而是探测气体在吸收光的过程中引起的温度和压力的变化。由于气体在吸收光的过程中，气体的温度会发生变化，从而导致压力的变化或产生声学波，光声光谱技术可以利用这些因素的变化达到检测气体的目的。
4 地面气体检测应用分析
红外光谱技术应用非常广泛，但对多组分混合气体的在线定量分析目前仍是国际上的研究难题之一，特别是涉及到具有同种分子基团、分子结构接近的气体，更是如此。前文所述的红外气体检测仪，由于无法解决混合烷烃类气体检测的难题，只可单一检测到甲烷或重烃，或者检测非烃类气体（如CO2）。其主要原因如下：
①需要大量样本集标定，建立定量分析模型难;
②目标气中各烷烃成分的红外吸收光谱严重交互叠加，有交叉干扰现象，定性识别难;③每种气体的吸收光谱具有一定的非线性，尤其在非目标气体干扰及环境变化时，微量气体准确辨识难。
针对红外光谱技术在录井气体检测中存在的气体交叉干扰问题，可采用一种基于可调谐激光二极管的吸收光谱法（TDLAS）来进行气体检测，以有效地解决这一问题。该方法同样应用红外吸收光谱技术原理，都是基于朗伯-比尔定律。不同之处在于，TDLAS方法是以可调谐半导体激光器作为光源，半导体激光器发射出特定波长的激光束穿过被测气体时，被测气体对激光束的吸收导致激光强度衰减，探测器探测到激光强度的衰减程度与被测气体含量正相关。
传统红外光源光谱线宽很大，得到的吸收光谱除被测气体吸收谱线外，还有很多背景气体的吸收谱线，以多组分混合烷烃气体为代表，这样就会导致气体交叉干扰。与传统的红外光谱吸收技术相比，可调谐半导体激光束线宽远小于被测气体单吸收谱线宽度和传统红外光源光谱线宽，具有“单线”特征，从根本上避免了气体交叉干扰的问题，具有很高的准确度和可靠性，因而可以作为录井气体检测下一步的研究方向。
随着气体分析技术、电子技术、精密加工工艺技术的快速发展，井下气体检测已经成为国内外主要发展方向。微电子机械系统（MEMS）技术的发展使仪器小型化、微型化成为可能，近年来国外已有关于微型色谱分析仪的报道，国内也有微型色谱分析仪的相关产品报道，标志着录井井下气体检测技术向前迈出了重要一步。随钻气体检测技术正朝着井下检测实时化、快速化、连续化方向发展。微型色谱分析仪主要由微型色谱柱和微型气体检测器组成。微型色谱柱可以实现对混合气体各组分的分离，因此可以在气体检测前端配套使用，配合之后的微型气体检测器，实现多组分气体的检测。
5 结束语
近些年，红外混合气体检测系统的光谱覆盖范围、光谱分辨率、系统响应时间等特性逐步改善。当前，太赫兹（THZ）等新技术使混合气体检測的范围扩展到亚毫米波范围，从而使混合检测步入新阶段（凝聚态物质和生物大分子），混合气体检测将围绕THZ技术的应用展开，不仅对气体的浓度进行检测，还将对其结构、性质等做进一步分析。与此同时，红外成像技术（CCD成像、多色探测等）和通信技术（中红外光纤通讯、无线通讯等）等其他领域中成熟的技术，将有助于混合气体检测系统进行更广泛的信息摄取。未来数年，混合气体检测所产生的数据量将会呈爆炸式增长趋势，而目前兴起的大数据处理技术会成为其有效的应对方案。然而，实现多种气体的同时分析必然导致系统的复杂化，设计成本的增加，如何降低系统复杂度，降低成本，实现便携式以至于微型化的“芯片”级设计，是将来迫切需要解决的问题。
参考文献：
[1]谭秋林.红外光学气体传感器及检测系统[M].北京：机械工业出版社，2013：59-73.
[2]李黎，张宇，宋振宇，等.红外光谱技术在气体检测中的应用[J].红外，2011，28（9）：28-36.
（汉威科技集团股份有限公司，河南 郑州 450001）