怎么利用光来测量气体的浓度

管道漏没漏、矿井里有没有瓦斯、烟囱排了多少——这些事靠鼻子不行，靠化验太慢。真正好用的办法是让一束光穿过去，看它被吃掉多少。

这件事能成，靠的是分子在特定波长上的吸收。每种气体吸收的波长都不一样，像指纹一样可以对上号。这套路子通常叫可调谐半导体激光吸收光谱，名字长，道理其实就三句话：找对波长、看吃掉多少、把微弱信号挖出来。

一、每种气体都有自己的吸收指纹

分子内部除了电子能级，还有振动与转动能级。这两类能级的间距比电子能级小得多，正好落在红外波段。所以红外光子打上去，分子就能吸收它、跳到更高的振动或转动状态。

图1：每种气体都有自己的吸收指纹

关键在离散：能级是分立的，分子只能吸收能量正好匹配的那些光子。于是吸收不是连续的一片，而是一条条尖锐的谱线——位置由能级结构决定，是这种气体独-有的。

这就是「指纹」的来历：谱线的位置决定是什么气体，谱线的深浅决定有多少。而谱线的宽度则由温度和压力决定——压力越高碰撞越频繁，谱线被撞得越宽，这叫压力展宽。

顺带一提，原子在这件事上不太行：它的能级主要是电子能级，间距大，多落在可见与紫外，红外区几乎没有可用的谱线。所以测气体这事，基本是分子的天下。

谱线也不是随便挑一条就行。挑的时候至少要看三件事：强度够不够——太弱的线测不出来；有没有别人挡道——同一波段附近若还有其他气体的谱线，读数就会被污染；对温度敏不敏感——有些谱线的强度随温度变化很大，现场温度一波动读数就跟着晃。工程上常要在这三条之间反复权衡，最后挑出一条勉强都能接受的。

二、比尔-朗伯定律：吸多少，由浓度和路程一起决定

光穿过一段气体，强度会按指数往下掉。这条规律叫比尔-朗伯定律。

图2：吸多少，由浓度和路程一起决定

写成式子是 I = I₀ · exp(−σ·N·L)。其中 I₀ 是入射强度、I 是出射强度，σ 是这种气体在该波长上的吸收截面，N 是分子数密度（也就是浓度），L 是光走过的路程。

指数看着麻烦，取个对数就变成简单正比：吸光度与浓度 × 光程成正比。这正是能算的根据——测出 I 和 I₀，知道 L，浓度就出来了。

这条式子给出两条很实用的推论。一是浓度越高，出射越暗；二是光程越长，越灵敏。想测更低的浓度，把光程做长往往比死磕探测精度更划算——这一点直接决定了后面气室怎么设计。

三、为什么非得是可调谐激光

气体的吸收线极窄，宽度常常远小于普通宽带光源的谱宽。拿宽带光源去照，只有其中极小一段被吸收，变化淹没在总光强里，基本测不出来。

图3：为什么非得是可调谐激光

可行的办法是：找一个线宽比吸收线还窄的光源，让它的波长精确地扫过整条谱线，逐点测出透射强度。这就是「可调谐」三个字的分量。

半导体激光器件正好对上路子——线宽窄、可以用电流或温度调谐、体积小、还能选到需要的波长。这也是为什么这类测量几乎都用半导体激光器当光源。

还有一条是硬要求：波长得稳。波长漂一点，扫过的就不是谱线中心，读数直接跑偏。因此温控与电流稳定度都是硬指标，不是锦上添花。

四、波长调制：把微弱信号从噪声里挖出来

低浓度下吸收极其微弱——透射光可能只掉了万分之几。这么小的变化直接测，会被光源波动、探测器噪声、环境干扰全部盖住。

图4：把微弱信号从噪声里挖出来

常用的办法是波长调制：在缓慢扫描的基础上，给激光叠加一个高频的小抖动，让它以很快的速度在谱线中心附近来回扫。于是透射光强也跟着抖——而且因为谱线不是平的，抖出来的波形会发生畸变，不再是标准正弦。

畸变里就藏着浓度信息。用锁相放大器把这个高频信号检出来，能分解出各次谐波：直流分量、一次谐波、二次谐波等等。其中二次谐波的幅度与浓度成正比，而且在谱线中心处达到最大。

这么做的好处很实在：调制频率选在高频，就躲开了大量的低频噪声（比如光源的缓慢漂移、环境的温度起伏）。信噪比往往能提升一两个数量级——这正是能测到 ppm 甚至 ppb 级的关键。

还有个常用的技巧叫 2f/1f 比值法：把二次谐波的幅度除以一次谐波的幅度。这样做的好处是能把光强本身的波动消掉——激光器输出功率变了、窗口脏了、探测器增益漂了，这些都会同时影响一次和二次谐波，一除就抵消了。剩下的是纯粹跟吸收有关的量，读数因此稳得多。

五、光路：怎样把光程做长，又不把仪器做大

既然光程越长越灵敏，工程上的核心问题就变成了：怎么在不把仪器做成柜子的前提下把光程拉长。

图5：怎样把光程做长，又不把仪器做大

最-简-单的单程气室就是让光直穿一次，光程等于气室长度。结构简单、好清洗，但灵敏度有限。

更常用的是多反射池：两面反射镜相对而放，让光在中间来回反射几十次再出来。几十米的光程可以塞进一个手掌大的池子里，灵敏度立刻上去。代价是光路调试要精细，镜面脏了影响很大。

用法上也分两类。原位式把收发两端直接装在管道或烟囱两侧，光穿过被测环境，响应快、不用取样，但得扛住粉尘、振动和温度变化。抽取式则先把气体抽进气室再测，环境可控、维护方便，代价是有取样延迟，管路还可能吸附某些成分。

还有几条是现场必须留意的：温度与压力要补偿，因为谱线强度和宽度都随它们变；标定不能省，得用已知浓度的气体定标并定期复核；光学窗口要保持干净，镜片脏了在读数上看等同于浓度虚高。

至于能测到多低，行业里常用噪声等效吸收来衡量——它指的是仪器能分辨的最小吸收量，等于噪声水平对应的等效浓度。这个数再除以吸收截面和光程，就得到检测限。所以想往下压检测限，无非三条路：把噪声做小、把光程做长、选吸收更强的谱线。三条都有各自的代价，实际设计就是在这三者之间找平衡。

六、常见气体在哪段测

选波长这件事，本质上是给目标气体找一条既够强、又不被别人干扰的谱线。常见气体大致是这样分布的。

甲烷和二氧化碳常在近红外测，1.6 微米和 2.0 微米附近都有成熟谱线，用的是通信波段的成熟器件，成本友好。水汽在 1.4 微米附近有谱线，但它几乎无处不在，往往是干扰项而不是测量目标。

一氧化碳在近红外的谱线很弱，想测低浓度通常得去中红外——约 4.6 微米那一带的吸收强得多，能到 ppb 级。代价是中红外器件更贵，来源也没近红外那么丰富。

图6：常见气体在哪段测

近红外的优势是器件便宜且成熟，可以直接用通信产业积累下来的光源与探测器；中红外的优势是吸收强、灵敏度高，但器件成本与配套都要贵一截。选哪边，取决于检测限要求和预算。

表里的数字都是典型情况，具体现场会有出入——干扰气体、温压条件、光程长短都会影响，选型时最好以实测为准。

七、总结

这套方法做的事说起来朴素：让一束波长精确的光穿过气体，看它被吃掉多少，再换算成浓度。

分子的振动与转动能级落在红外，能级离散于是有了尖锐谱线——位置定身份、深浅定浓度；

透过率遵循比尔-朗伯定律，吸光度与浓度、光程成正比，所以加长光程是提高灵敏度最-划-算的路；

而微弱信号靠波长调制与二次谐波检出，调制到高频就躲开了低频噪声，这才够得着 ppm 甚至 ppb。

有意思的是，这套系统里最费心的往往不是激光器本身，而是气室与标定。光程做长了容易受污染和振动影响，标定做差了读数就系统性偏——这两处才是现场维护的大头。

下次觉得测出来的数不对劲，不妨先查这几样：波长有没有漂、窗口脏没脏、温度压力补偿开了没有、标定气还准不准。多半就在这几步里。