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高性能红外光声光谱痕量气体测量技术

【技术开发单位】中国航天科技集团公司九院北京遥测技术研究所

【技术简介】红外光声光谱痕量气体分析仪是针对载人航天器舱内痕量气体检测需求进行研究开发的,需要开发一种能同时测量20余种痕量气体的小体积、低功耗、高可靠长寿命的气体分析仪,要求能在轨自标定或免标定。

红外光声气体分析仪是基于气体的比尔朗伯吸收定律,气体分子受特定波长的激光照射后,会吸收光子获得能量,从基态激发到激发态,再通过振转弛豫变换无辐射跃迁回到基态生成热,引起周围气压发生变化。对激光进行调制,使气压产生周期性变化形成声波,检测周期性变化的声压值,利用比尔朗伯计算定律出其气体浓度值。

高性能红外光声气体分析仪采用基于MEMS悬悬臂梁作为光热位移检测敏感元件,光学干涉法检测其光热位移,能实现高精度位移检测,从而实现痕量气体浓度的检测。由于利用光声效应,避免了光探测器的使用,因此测量光源可以拓展到中红外波长室温下应用,且大多数有机物在中红外吸收峰更强,有利于痕量物质的检测。

红外光声气体分析仪已突破高灵敏度光学微音器检测技术以及包括脉冲式宽范围可调谐量子级联激光器的多光源耦合技术、精确光谱解析技术等关键技术,研制样机各项指标满足型号任务。

【技术特点】从国际上看,光声光谱法气体测量技术近年来发展迅速,是目前最为先进的痕量气体测量技术之一,基于光声光谱原理的气体分析仪产品属于红外类气体分析仪中的高端产品,光声光谱技术优势非常明显,具有非常好的市场前景。

光声光谱技术是一种理想的无背景噪声信号技术,具有较高灵敏度和良好选择性。与传统光谱分析方法不同,光声光谱技术是监测物体吸收光能后产生的热能中以声压形式表现出来的那部分能量,属于绝对法测量,即使在弱吸收的情况下,吸收能也可被微音器检测。随着半导体激光器和半导体微机械技术的发展,光声光谱气体探测系统向着小型化方向发展,以实现便携式高性能的光声气体探测系统。

本项目采用世界领先的硅MEMS增强型光声光谱技术,可以同时测量二十种以上ppb级痕量气体,具有其它技术无可比拟的长寿命、高选择性、高灵敏、高可靠等综合性能优势,满足空间站、潜艇等密闭空间微量有害气体监测、推进剂泄漏检测、反恐生化等国防军事需求,可推广至公共安全、大气环境监测、石油化工等需求强劲的民用高端市场。

【技术指标】

(1)测量范围:0~10%(可定制);

(2)分辨率:亚ppb~亚ppm(视光源而定);

(3)响应时间:≤5s(单组份)

(4)零点漂移:2ppb/24h;

(5)量程漂移:测量值的3%/30d;

(6)多组分测量(20余种,可定制);CH4、C2H6、C2H2、C2H4、CO2、CO、NO2、N2O、SO2、NO、H2S、NH3、SF6、H2O、甲醇、乙醇、丙酮、苯、甲苯、二甲苯、甲醛、CF4、C2F6,R134-a,R13,HF,HCl,HCN等。

(7)镀金恒温气室;

(8)MEMS悬臂梁的干涉式光学微音器压力传感器;

(9)压力、温度补偿;

(10)组分间抗相互干扰补偿;

【技术水平】国际先进

【可应用领域和范围】石油化工、环保的气体监测,公共安全爆炸物检测。

【专利状态】已取得专利1项

【技术状态】试生产阶段

【合作方式】合作开发、技术服务、产品销售

【投入需求】2600万元

【转化周期】2年

【预期效益】针对石化与化工、环境监测等典型行业,开发大气环境监测的便携式光声气体分析仪,以及石油化工企业现场安全监测的光声光谱综合气体检测仪,实现工业现场气体检测仪年销售量1500台,大气环境在线分析仪年销售量300台/套的目标,目标仪器国内市场占有率达到30%以上,年产值突破2亿元。仪器整体性能达到国际先进水平,填补国内空白,形成尖端气体分析仪器的产业基地,促进行业结构升级与优化,提升我国分析仪器行业的国际竞争力。

    【联系方式】彭泳卿  010-68750867/13584569226