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(guān)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(xiàn)都扮演著重要的角色。

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?；質(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(lèi)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)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(zhuān)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(zhuān)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，共獲授10項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)俐。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(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)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。基于可調(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*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(zhuān)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(hù)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)量控制的專(zhuān)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(xiàn)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(xiàn)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、方便和良好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)境中具有不可比擬的*優(yōu)勢(shì)，是目前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(lèi)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，是一種比較高級(jí)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(lèi)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(zhuān)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(zhuān)項(xiàng)、工信部物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專(zhuān)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。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。