對(duì)環(huán)保領(lǐng)域而言，溫度、壓力、濕度等方面的測(cè)量非常重要。用激光進(jìn)行高溫濕度測(cè)量，可提升我國(guó)濕度監(jiān)測(cè)水平，提高環(huán)保排放測(cè)算準(zhǔn)確性、降低工業(yè)過(guò)程排放。未來(lái)，這個(gè)技術(shù)還能延展到對(duì)各種氣體進(jìn)行檢測(cè)，應(yīng)用前景非常廣泛。

近日，國(guó)家科技部重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)——“面向復(fù)雜工況的激光高溫濕度傳感器研制及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目啟動(dòng)儀式在北京召開(kāi)。該項(xiàng)目專家組負(fù)責(zé)人、我國(guó)著名激光和非線性光學(xué)專家、中科院院士姚建銓教授在接收媒體采訪時(shí)稱，用激光對(duì)水氣以及各種氣體進(jìn)行檢測(cè)，可以說(shuō)是一項(xiàng)革命性的技術(shù)。

那么，相比于傳統(tǒng)、常規(guī)的測(cè)量方式，用激光進(jìn)行高溫濕度測(cè)量究竟有何優(yōu)勢(shì)？激光測(cè)量氣體技術(shù)，未來(lái)的應(yīng)用前景又如何？對(duì)此，姚建銓院士進(jìn)行了相關(guān)分析和介紹。

濕度測(cè)量的重要性

據(jù)姚院士介紹，該研制項(xiàng)目的主要任務(wù)是研發(fā)面向復(fù)雜工況條件下的激光高溫濕度傳感器。“這個(gè)項(xiàng)目是測(cè)濕度的，也就是含水量。濕度對(duì)人類生活、工業(yè)生產(chǎn)、大氣環(huán)保、科學(xué)研究、文物保護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域里都至關(guān)重要。”據(jù)他介紹，人類生產(chǎn)和生活很多方面都離不開(kāi)濕度測(cè)量，例如研究霧霾的形成及防治，濕度的測(cè)量就非常關(guān)鍵。在環(huán)保領(lǐng)域，排放氣體的濕度測(cè)量直接影響到環(huán)保排放測(cè)算的準(zhǔn)確性。“工業(yè)鍋爐排放的污染物濃度采用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干氣采樣體積計(jì)算。而干氣采樣體積測(cè)算又需要測(cè)量煙氣濕度，因此煙氣含濕量測(cè)量的準(zhǔn)確性直接影響排放總量的計(jì)算準(zhǔn)確度，

不僅環(huán)保領(lǐng)域，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，對(duì)溫度、壓力、濕度等方面的測(cè)量也非常重要的。姚院士介紹，工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域可通過(guò)檢測(cè)濕度調(diào)整工藝，提高反應(yīng)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。“比如化工領(lǐng)域氨氣合成、天然氣交接計(jì)量與貿(mào)易結(jié)算等，還有航空航天軍工領(lǐng)域的雷達(dá)定位、衛(wèi)星導(dǎo)航等，都將濕度作為一個(gè)充分參數(shù)。”

激光測(cè)濕度 技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯

濕度測(cè)量如此重要，但現(xiàn)有濕度測(cè)量方式卻存在很多弊端。

姚院士介紹，常用濕度測(cè)試方法存在易失效、不準(zhǔn)確、測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，如干濕球法、阻容法受原理限制，存在高濕測(cè)量不準(zhǔn)確；冷凝法和重量法存在測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，不能在線連續(xù)監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)。采用非接觸光學(xué)測(cè)量方法能夠解決傳統(tǒng)傳感器問(wèn)題，如非分散紅外分析、紫外差分吸收光譜等，但存在氣體交叉干擾等問(wèn)題。

此次啟動(dòng)的激光高溫濕度傳感器的研制，是基于TDLAS技術(shù)(可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)的簡(jiǎn)稱)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的測(cè)量。采訪時(shí)，姚院士言簡(jiǎn)意賅地介紹了該項(xiàng)目運(yùn)用的技術(shù)原理及優(yōu)勢(shì)。“用激光測(cè)量濕度這項(xiàng)技術(shù)，是基于氣體的一個(gè)特性，也就是每種氣體都會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的光這一基本特性。通過(guò)激光照射氣體，氣體吸收對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)使之強(qiáng)度變?nèi)酰M(jìn)而通過(guò)測(cè)量激光變?nèi)醯某潭忍綔y(cè)出氣體濃度。”

據(jù)姚院士介紹，用激光測(cè)濕氣或其他氣體，具有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，激光不會(huì)影響被測(cè)氣體的組分和形態(tài)；其次，它能夠?qū)ξｋU(xiǎn)氣體進(jìn)行遠(yuǎn)程非接觸式測(cè)量，保證測(cè)試人員安全；再者，它的測(cè)量精度非常高，測(cè)量下限可能達(dá)到PPM量級(jí)；第四，每種氣體的監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)特定激光波長(zhǎng)，不存在交叉干擾，易于檢測(cè)混合氣體中的特定成分；第五，傳感器完全采用光學(xué)結(jié)構(gòu)，本質(zhì)安全，傳感端不易受到電磁輻射的干擾，不產(chǎn)生火花 ；最后，激光的響應(yīng)速度非常快，可以達(dá)到毫秒量級(jí)。姚院士提出，“尤其是激光的反應(yīng)速度，相比較于傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器響應(yīng)速度慢的問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)室中采用激光檢測(cè)甚至能達(dá)到毫秒、微秒量級(jí)，從這點(diǎn)上來(lái)說(shuō)，這也是一項(xiàng)革命性的技術(shù)創(chuàng)新。”

眾所周知，濕度測(cè)量很多時(shí)候都處于極端條件下，這增加了監(jiān)測(cè)的難度，比如高溫高壓環(huán)境的濕度測(cè)量就是個(gè)難點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)常用測(cè)量方式，使用激光在高溫條件下進(jìn)行濕度測(cè)量，具有無(wú)交叉干擾、測(cè)量范圍大、精度高、實(shí)時(shí)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)高溫條件下的濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。“這個(gè)激光高溫濕度傳感器一旦研制成功，可提升我國(guó)濕度監(jiān)測(cè)水平，提高環(huán)保排放測(cè)算準(zhǔn)確性、降低工業(yè)過(guò)程排放。未來(lái)，這個(gè)技術(shù)還能延展到對(duì)各種氣體進(jìn)行檢測(cè)，應(yīng)用前景非常廣泛!”

TDLAS技術(shù)測(cè)試氣體 應(yīng)用前景廣闊

激光高溫濕度傳感器的研發(fā)所基于的TDLAS技術(shù)，是一種新型氣體濃度測(cè)量技術(shù)。也就是說(shuō)，不僅僅是測(cè)量濕度，它還能檢測(cè)其他各種氣體。同時(shí)，由于激光氣體分析技術(shù)環(huán)境適應(yīng)性極好的特性，使得它的應(yīng)用范圍會(huì)非常廣泛，“以往的氣體測(cè)量方式，有的不適合野外使用，或者無(wú)法在極端的環(huán)境下使用，比如高溫、高壓、高腐蝕或者易燃易爆以及毒氣環(huán)境下。用TDLAS技術(shù)不僅能進(jìn)行濕度測(cè)量，還能延展到測(cè)量其他各種氣體。”

姚院士隨口提及該技術(shù)可應(yīng)用的范圍和領(lǐng)域，其廣度和深度卻是不可小覷。比如，在化工領(lǐng)域，合成氨氣，氯堿生產(chǎn)、天然氣交接計(jì)量與貿(mào)易結(jié)算、煙氣脫硝連續(xù)監(jiān)測(cè)等方面都需要進(jìn)行各類氣體監(jiān)測(cè)分析，能應(yīng)用到該項(xiàng)技術(shù)；環(huán)保領(lǐng)域中，火電廠、石油化工、鋼鐵等企業(yè)的氣體排放必須符合國(guó)家環(huán)要求，該技術(shù)對(duì)煙氣中的多種氣體可以進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；在火力發(fā)電領(lǐng)域的鍋爐熱效率和排放物處理兩個(gè)方面都需要對(duì)過(guò)程氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不僅需監(jiān)測(cè)部位很多，同時(shí)監(jiān)測(cè)氣體種類也很多樣，TDLAS激光傳感器采用純光學(xué)不接觸測(cè)量，速度快、靈敏度高、測(cè)量精準(zhǔn)。諸如此類，都可以看出TDLAS技術(shù)對(duì)于濕氣及其他各種氣體測(cè)量的高環(huán)境適應(yīng)性。

“因此，基于TDLAS技術(shù)的激光高溫濕度傳感器研制僅僅只是這個(gè)技術(shù)應(yīng)用研發(fā)的開(kāi)端，未來(lái)的延展和空間會(huì)非常大!”姚建銓院士談及TDLAS技術(shù)應(yīng)用前景十分有信心。他同時(shí)指出，要達(dá)到這一步，還需要經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)程。“剛剛啟動(dòng)的這個(gè)項(xiàng)目，只是研制高溫環(huán)境中的激光濕度測(cè)試傳感器，就需要花費(fèi)兩年時(shí)間，這個(gè)周期還算快的。但這對(duì)TDLAS技術(shù)的廣泛應(yīng)用來(lái)說(shuō)，是個(gè)非常好的苗頭。我相信，只要項(xiàng)目牽頭單位和參與單位能密切協(xié)作配合，不僅該項(xiàng)目研制會(huì)成功，未來(lái)還會(huì)形成一系列的應(yīng)用產(chǎn)品。這絕對(duì)是利國(guó)利民功在千秋的好事!”