在第一臺(tái)激光器誕生60多年后的今天, 隨著激光光源、探測(cè)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)裝置和數(shù)據(jù)處理等各方面技術(shù)的飛躍發(fā)展, 激光光譜技術(shù)作為微觀感知領(lǐng)域的核心技術(shù), 已經(jīng)成為物理、化學(xué)、生物、環(huán)境以及天文學(xué)等領(lǐng)域中研究光與物質(zhì)相互作用的重要手段, 從實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究到各領(lǐng)域應(yīng)用第一線都扮演著無(wú)可替代的角色。
拉曼光譜技術(shù)早有布局，突破工業(yè)過(guò)程氣體分析技術(shù)瓶頸
在工業(yè)過(guò)程氣體監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，傅里葉紅外(FITR)、質(zhì)譜(MS)、氣相色譜(GC)等原理的氣體分析儀各有優(yōu)點(diǎn)。傅里葉紅外技術(shù)一個(gè)氣室很難適合不同的量程，也無(wú)法分析H2、02、N2甚至不同的碳?xì)浠衔铮毁|(zhì)譜分析技術(shù)對(duì)于同質(zhì)量的氣體分子識(shí)別度很低；氣相色譜分析需要載氣，對(duì)于不同類型氣體需要切換不同的分離柱。而得益于激光技術(shù)的普及以及各種高精度光譜分析模塊的出現(xiàn)，激光拉曼光譜氣體分析技術(shù)發(fā)展迅速。該產(chǎn)品主要定位于石油天然氣、頁(yè)巖氣、石化、大型煤化工等工業(yè)過(guò)程高端市場(chǎng)。
四方光電副總經(jīng)理、高級(jí)工程師石平靜向記者介紹：隨著我國(guó)對(duì)大型能源裝備國(guó)產(chǎn)化要求的提高，針對(duì)高端氣體分析儀器領(lǐng)域進(jìn)口替代需求，為加快解決激光拉曼光譜氣體分析儀在不同行業(yè)的應(yīng)用問(wèn)題，公司早在2012年就開(kāi)始著手激光拉曼光譜氣體分析儀的研究，并作為牽頭單位實(shí)施國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)“激光拉曼光譜氣體分析儀器的研發(fā)與應(yīng)用”項(xiàng)目。通過(guò)開(kāi)發(fā)專項(xiàng)的研發(fā)，四方光電形成了包括光路及光譜分析、拉曼信號(hào)增強(qiáng)、拉曼分析測(cè)控軟件、智能算法等技術(shù)，解決了激光器功率、溫度、壓力等外部因素的波動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響問(wèn)題。通過(guò)拉曼信號(hào)增強(qiáng)的技術(shù)突破及自主研制寬光譜范圍的拉曼光譜分析模塊，四方光電激光拉曼光譜氣體分析儀可以滿足天然氣多組分快速同步分析。分析時(shí)間由原先行業(yè)的100秒至幾十分鐘縮短為10秒，提高了10倍以上；可快速測(cè)量CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8、C3H6、C4+、CO、CO2、H2、O2、N2、H2S、H2O、CH3OH、CH3-NO、NO等十余種氣體，用一臺(tái)激光拉曼光譜氣體分析儀，配套采用不同應(yīng)用場(chǎng)景的行業(yè)應(yīng)用軟件，就可以解決天然氣頁(yè)巖氣成分、煤氣化、高爐轉(zhuǎn)爐焦?fàn)t、石油煉化等工業(yè)流程多組分氣體在線監(jiān)測(cè)的行業(yè)難點(diǎn)。
圖1：四方光電激光拉曼光譜氣體分析儀
(左：實(shí)驗(yàn)室臺(tái)式分析儀 右：在線防爆型分析系統(tǒng))
深耕TDLAS技術(shù)，筑就氣體分析產(chǎn)業(yè)高地
近紅外和中紅外光譜區(qū)域新激光器的可用性又推動(dòng)了氣體測(cè)量傳感器的發(fā)展，這些傳感器現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程?；诳烧{(diào)諧二極管激光吸收光譜 (TDLAS) 分子，如 O2、CH4、H2O、CO、CO2、NH3、HCI和HF，可以在連續(xù)、實(shí)時(shí)操作中以高選擇性和靈敏度進(jìn)行原位檢測(cè)。使用波長(zhǎng)調(diào)制光譜 (WMS) 等靈敏的檢測(cè)技術(shù)，通?？梢栽?秒的積分時(shí)間內(nèi)進(jìn)行低 ppb和ppm濃度測(cè)量。檢測(cè)限值可以通過(guò)使用抽取式采樣和長(zhǎng)的多通道池來(lái)提高。當(dāng)前TDLAS 已成為工業(yè)過(guò)程中用于困難測(cè)量任務(wù)的公認(rèn)技術(shù)，因?yàn)樗c高溫、高壓、粉塵水平和腐蝕性介質(zhì)兼容，可以確定氣體濃度、溫度、速度和壓力。
石平靜表示，基于四方光電氣體傳感技術(shù)平臺(tái)，打造高端氣體分析科學(xué)儀器是公司重要的長(zhǎng)期戰(zhàn)略。公司深耕激光TDLAS技術(shù)研究多年，旨在提升基于激光光譜測(cè)量技術(shù)的專業(yè)能力，進(jìn)一步聚焦實(shí)驗(yàn)室和過(guò)程分析領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)可持續(xù)性發(fā)展，為工業(yè)客戶提供從產(chǎn)品研發(fā)和工藝流程設(shè)計(jì)，到生產(chǎn)制造和質(zhì)量控制的全方位專業(yè)支持。
基于對(duì)TDLAS技術(shù)及激光器的自主研發(fā)，公司推出了GasTDL-3100高性能原位激光過(guò)程氣體分析儀，采用對(duì)射式設(shè)計(jì)，響應(yīng)時(shí)間快速，在原位式測(cè)量中以秒計(jì)算，可在線及時(shí)反應(yīng)被測(cè)氣體O2、CO、CO2或者CH4濃度，避免了采樣式測(cè)量帶來(lái)的時(shí)間延遲；在高溫、高粉塵、高水分、高腐蝕性、高流速等惡劣測(cè)量環(huán)境下具有良好的適應(yīng)性；氣體濃度不易失真，測(cè)量精度高?？梢詮V泛用于冶金、石化、水泥、電力、環(huán)保等行業(yè)。
圖2：四方光電TDLAS原位激光過(guò)程氣體分析儀
依托激光核心技術(shù)積累，發(fā)力環(huán)境氣體監(jiān)測(cè)正當(dāng)時(shí)
在環(huán)境監(jiān)測(cè)煙氣排放領(lǐng)域，基于TDLAS可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)，公司開(kāi)發(fā)了GasTDL-3000激光氨逃逸氣體分析儀，適用于在線監(jiān)測(cè)脫硝工藝出口NH3的濃度，采用高溫伴熱抽取技術(shù)，可以有效降低氣體冷凝損耗，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反應(yīng)逃逸氨的變化，為環(huán)保監(jiān)測(cè)提供可靠數(shù)據(jù)支持。
圖3：四方光電TDLAS激光氨逃逸氣體分析儀
“近年來(lái)，TDLAS激光氣體檢測(cè)技術(shù)以其高效、方便和卓越的通用性也正成為目前解決煤礦瓦斯、燃?xì)鈭?bào)警等環(huán)境問(wèn)題的研究熱點(diǎn)”，石平靜還告訴記者，在工業(yè)領(lǐng)域和日常生活中甲烷一直被廣泛應(yīng)用 ,是典型的易燃易爆氣體，及時(shí)精準(zhǔn)檢測(cè)，對(duì)工礦安全運(yùn)行、人身安全及環(huán)境保護(hù)有著十分重要的作用。TDLAS全光學(xué)設(shè)計(jì)、靈敏度高、電絕緣性好、不受電磁干擾、易于微機(jī)連接、能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，在易燃易爆物集散地、高溫等極端環(huán)境中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是目前頗有前景的一種甲烷監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的甲烷傳感器種類繁多，TDLAS調(diào)諧激光式方法相比于催化燃燒和氧化物半導(dǎo)體三種方法，是一種比較高端的甲烷測(cè)量方法，具有精度高、范圍大、響應(yīng)速度快、抗干擾、穩(wěn)定性好，環(huán)境適應(yīng)性高。近日，四方光電研發(fā)推出的一款激光甲烷氣體傳感器，按管廊標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，可應(yīng)用于地下管廊(網(wǎng))、地下井室石油化工、燃?xì)馍a(chǎn)運(yùn)輸?shù)扔屑淄闅怏w的環(huán)境。
圖4：四方光電TDLAS激光甲烷傳感器
十年厚積，以激光光譜技術(shù)夯實(shí)高端醫(yī)療呼吸機(jī)用氧氣傳感器占位
四方光電堅(jiān)持“1+3”發(fā)展戰(zhàn)略，醫(yī)療健康氣體傳感器領(lǐng)域成果轉(zhuǎn)化能力進(jìn)一步提高，目前有制氧機(jī)超聲波氧氣傳感器(取代傳統(tǒng)的氧化鋯氧氣傳感器)、激光氧氣傳感器(取代電化學(xué)和順磁氧氣傳感器)、超聲波肺功能檢查儀等。
氧氣傳感器是呼吸機(jī)、麻醉機(jī)的重要關(guān)鍵部件，開(kāi)發(fā)高性能的醫(yī)用氧氣傳感器，打破國(guó)外主流呼吸機(jī)企業(yè)和國(guó)外傳感器供應(yīng)商的技術(shù)壟斷非常必要，是實(shí)現(xiàn)高端醫(yī)療呼吸機(jī)、麻醉機(jī)真正國(guó)產(chǎn)化的必要條件。呼吸機(jī)用氧氣傳感器國(guó)內(nèi)目前主要采取電化學(xué)與順磁測(cè)量氧氣濃度，前者使用壽命短，通常使用一年就需要更換，且用一段時(shí)間會(huì)有偏差，需要不定期校準(zhǔn)；后者價(jià)格昂貴，對(duì)氣體壓力比較敏感，需要進(jìn)行壓力補(bǔ)償。
針對(duì)目前呼吸機(jī)用氧氣傳感器存在的缺陷和技術(shù)難點(diǎn)，四方光電基于TDLAS可調(diào)諧激光光譜技術(shù)原理，就激光器選型與封裝技術(shù)、氧氣傳感器控溫及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、快速響應(yīng)微小型氣室設(shè)計(jì)以及信號(hào)解調(diào)及算法處理等多個(gè)方面進(jìn)行研究，研制出具有較高精度、高穩(wěn)定性、快速響應(yīng)的激光氧氣傳感器，該產(chǎn)品替代同類進(jìn)口產(chǎn)品，加快補(bǔ)齊我國(guó)高端醫(yī)療裝備的短板，實(shí)現(xiàn)自主可控。
圖5：四方光電快速激光氧氣傳感器
寫(xiě)在結(jié)尾
四方光電長(zhǎng)期專注于氣體傳感器以及高端氣體分析儀器的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，依托省級(jí)技術(shù)中心、湖北省氣體儀器儀表工程中心兩個(gè)技術(shù)平臺(tái)，四方光電積極融入國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新體系，先后獲得國(guó)家科技部創(chuàng)新基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重大科學(xué)儀器專項(xiàng)、工信部物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專項(xiàng)、湖北省重大技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目、武漢市重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目等多個(gè)項(xiàng)目的支持，逐步建立了包括紅外、紫外、熱導(dǎo)、激光拉曼、TDLAS、超聲波、電化學(xué)、MEMS金屬氧化物半導(dǎo)體等原理的氣體傳感器技術(shù)平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)為四方光電的高端氣體分析儀器國(guó)產(chǎn)化提供了強(qiáng)有力的動(dòng)力。最新發(fā)展的激光拉曼光譜、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜TDLAS 等氣體分析技術(shù)，配合公司常年發(fā)展積累的紅外、熱導(dǎo)、順磁等原理的氣體分析儀器技術(shù)，四方光電已經(jīng)形成我國(guó)自有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高、中端完整的氣體分析儀器應(yīng)用解決方案，將大力推動(dòng)鋼鐵冶金、煤化工、石油煉化、天然氣等國(guó)家戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)以及醫(yī)療健康等領(lǐng)域高端裝備的國(guó)產(chǎn)化。
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