壓電技術在TDLAS氣體檢測中的應用
氣體檢測儀是一種常用的氣體濃度檢測儀器，主要利用氣體傳感器來檢測環境中的氣體種類，它可檢測硫化氫、一氧化碳、氧氣、二氧化硫、磷化氫、氨氣、二氧化氮、氰化氫、氯氣、二氧化氯、臭氧和可燃氣體等多種氣體，廣泛應用在石化、煤炭、冶金、化工、市政燃氣、環境監測、農業等多種場所現場檢測。此外，它也可以實現特殊場合測量需要，可對坑道、管道、罐體、密閉空間等進行氣體濃度探測或泄漏探測。
可調諧二極管激光吸收光譜（TDLAS，Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）是一種使用可調諧二極管激光器和激光吸收光譜法測量氣體混合物中某些物質（如甲烷、水蒸氣等）濃度的技術。與其他濃度測量技術相比，TDLAS 的優勢在于它能夠實現非常低的檢測限制（ppb級）。除了濃度之外，還可以確定所觀察氣體的溫度、壓力、速度和質量通量。TDLAS 是迄今為止最常見的基于激光的吸收技術，用于定量評估氣相中的物質。
TDLAS可調二極管激光吸收光譜技術是利用可調諧半導體激光器的窄線寬和波長隨調制改變的特性實現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技術主要是通過檢測待測氣體分子的一條孤立振轉吸收譜線進行氣體檢測的。在探測低濃度氣體時，由于吸收信號比較弱，通常要結合長光程技術以及諧波檢測手段來提高氣體探測的靈敏度。根據Lambert-Beer定律可知，一束光通過氣體時會發生衰減。
TDLAS氣體檢測技術原理
TDLAS氣體檢測原理圖
當LD激光二極管出光通過氣體腔，用PD光探測器對LD的光功率進行接收。
隨著調制，激光器輸出光功率、出光波長將會隨之改變，經過氣體腔后，對應的輸出光功率和出光波長也會發生變化。若在波長掃頻的范圍內，光沒有被氣體吸收，即沒有出現氣體吸收線，那么PD接收的光功率與LD輸出的光功率是相同的；若在波長范圍內出現吸收線，則PD端接收的光功率的線譜會有凹陷，而通過凹陷處的波長和深度，即可判斷該氣體的種類和強度。
而為了反應真實的光吸收情況，就必須對激光波長或頻率曲線進行掃描。
TDLAS氣體檢測中頻率控制基本方法
通常，調整激光器出光頻率有四種基本方法，即改變二極管的溫度、改變壓電執行器（用于控制光柵位置和角度）的電壓、調整驅動激光二極管的電流和改變腔內EOM的電壓。
腔內EOM方法不太常見，它可以快速改變折射率，但頻率調整的范圍通常非常小。
改變二極管的溫度，可以大幅度改變激光頻率（調諧系數一般是0.1nm/K），從而達到波長掃描的目的。但二極管溫度改變需要時間較長，通常需要幾秒鐘，只適合調節波長的大致范圍。
通過調整驅動激光二極管的電流會改變半導體的折射率，因此也會導致頻率變化。典型的調諧系數約為0.1GHz/mA。調制電流已經允許調制具有幾MHz帶寬的激光頻率。因此，它是用于減小激光線寬的典型“致動器"。
壓電式調整是一種非常快速的調整，可在毫秒甚至亞毫秒的時間內將光柵位置和角度調整完成，滿足快速頻率變化要求。并且，通過壓電式調整的方法可在大范圍內調整頻率，幾Hz至kHz均可。
此外，壓電式調整方法也常用于抵消較慢的頻率漂移。
基于壓電技術的頻率控制
通常，壓電執行器是用于鎖定相位和頻率反饋回路中的執行組件。它根據控制信號執行相位和頻率調整。
因為不同待測氣體的吸收譜線不同，所以激光器的輸出激光波長需要產生周期性變化，使激光中心波長調節至待測氣體的吸收譜線，產生選擇性的吸收。激光器輸出波長的周期性變化，就可利用壓電執行器進行調節。壓電執行器具有響應速度快、精度高的特點，非常適于輸出光譜線調節。
不僅在TDLAS氣體檢測技術中可用到壓電執行器，在OPLAS開路氣體檢測分析中，也會用到壓電執行器。
OPLAS（Open Path Laser Absorption Spectroscopy）開放路徑激光吸收光譜技術與TDLAS類似，但OPLAS不需要將樣品氣體泵入氣體吸收單元再進行分析。OPLAS系統對激光點質量和光學設備的要求更高。例如，低濃度氨氣的檢測是相對較難的，在檢測氨氣濃度較低的氣體環境時，可通過壓電執行器進行光源的轉向調節，快速定位激光掃描中心位置，再通過壓電執行器在一定范圍內進行激光快速掃描。該方法甚至可以進行達1000米長距離的氣體濃度檢測。
OPLAS基本結構圖
TDLAS氣體檢測中壓電執行器的選型
芯明天具有成千上萬種壓電執行器與相應的驅動控制產品，在壓電執行器的選型時，主要看相應TDLAS氣體檢測內部的具體結構以及相應需要調節的光路參數。
通常，氣體檢測儀的體積較小，因此對部件的尺寸要求越小越好。
1）芯明天PZT疊堆式壓電執行器
芯明天PZT疊堆式壓電執行器具有非常多的尺寸和型號，最小的尺寸可達1.22×1.3×1.7mm^3，位移可達1μm。壓電陶瓷疊堆的橫截面積有1.22×1.3mm^2、1.66×1.72mm^2、2×3mm^2、3.5×3.5mm^2、5×5mm^2、7×7mm^2......25×25mm^2不等，橫截面積越大，相應的壓電陶瓷的出力越大。可根據需要的位移范圍值來選擇高度，高度越高，位移越大。
最終的選型將取決于出力要求、位移要求及空間限制等因素。
芯明天壓電陶瓷疊堆
芯明天壓電陶瓷疊堆參數
注：因產品型號較多，此處僅展示一部分，更多參數請聯系芯明天銷售工程師。
2）芯明天封裝式壓電陶瓷促動器
為了在使用環境中得到更好的保護和應用，芯明天提供封裝式壓電陶瓷促動器，它將PZT壓電陶瓷疊堆封裝于內部，使其免受于磕碰、濕度等影響。
此外，封裝式壓電陶瓷促動器內部對PZT壓電陶瓷預加有預緊力，使其更適合于動態應用。
芯明天封裝式壓電陶瓷促動器
封裝式壓電陶瓷促動器的移動端可選擇平頭、球頭、內螺紋、外螺紋連接，也可選擇定制連接方式。
芯明天封裝壓電陶瓷促動器參數
注：因產品型號較多，此處僅展示一部分，更多參數請聯系芯明天銷售工程師。
增加氣體腔長，可提高吸收靈敏度
對于濃度較低的氣體的檢測，就需要更高的氣體吸收靈敏度。
可采用增加氣體腔長度來提高氣體吸收的靈敏度，但這會導致氣體檢測設備的體積變得更加龐大。為解決體積龐大的問題，很多氣體檢測設備在氣體腔的兩端加上特殊的低損耗反射鏡片。激光器發出的光在氣體腔內被反射鏡片來回反射，從而使得光與氣體有更多的接觸，使得光通過氣體的距離變長，從而提高測試的高靈敏度，較微弱的吸收線也可被檢測。
注：僅供參考，不同系統結構不同。
因為光要在氣體腔內來回振蕩，所以需要LD的線寬盡可能的窄。
當然，上述只是TDLAS結構中的一種，每個TDLAS設備的結構都會有差別。
氣體敏感波長列表
為大家附上網絡上查詢到的氣體敏感波長參數，如下表所示。
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