气体检测分析之CRDS(腔衰荡光谱)、PAS(光声光谱)和TDLAS(可调谐二极管激光吸收光谱)
CRDS（腔衰荡光谱）、PAS（光声光谱）和TDLAS（可调谐二极管激光吸收光谱）是三种常用的气体检测技术，它们各自具有独特的特点和适用场景。以下将从检测原理、精度、背景气体交叉干扰、长期漂移量、测量响应速度、样气处理、成本、应用、优势及局限性等方面进行详细对比分析。
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检测原理
CRDS（Cavity Ring-Down Spectroscopy）
原理：
- 利用高反射率光学腔（反射率 > 99.9%）中光的多次反射，测量光信号随时间的衰减速率（腔衰荡时间）。
- 气体分子吸收特定波长的激光能量会加速光信号衰减，衰荡时间的变化与气体浓度成正比。
特点：
- 非接触式光学检测，灵敏度极高。
- 通过腔内多次反射增强光程，提高检测限。
PAS（Photoacoustic Spectroscopy）
原理：
- 利用气体分子吸收特定波长的激光后发生非辐射跃迁，释放的热量引起局部气体膨胀，形成声波。
- 声波由高灵敏度的麦克风检测，声强与气体浓度成正比。
特点：
- 声波信号强度直接反映气体吸收的能量，可实现高灵敏度检测。
- 需要封闭的光声池来确保信号收集。
TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）
原理：
- 使用可调谐二极管激光器扫描特定波长范围，测量激光通过气体样品时的特征吸收强度。
- 根据朗伯-比尔定律，吸收强度与气体浓度成正比。
特点：
- 单光程或多光程检测，光谱分辨率高。
- 适用于特定气体的高选择性检测。
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精度
- CRDS：由于光程极长（通过腔内多次反射），其检测限最低，适合超痕量气体检测。
- PAS：灵敏度高，但受噪声和背景气体影响较大，精度略低于CRDS。
- TDLAS：检测限依赖于光程，适合中高浓度气体检测。
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背景气体交叉干扰
- CRDS：利用窄带激光波长和高光谱分辨率，可以有效避免背景气体的干扰。
- PAS：对背景噪声敏感，且多种气体吸收峰可能重叠，导致交叉干扰。
- TDLAS：通过选择目标气体的特征吸收峰来减少干扰，但需要精确调节波长。
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长期漂移量
- CRDS：由于光学腔的高稳定性，长期漂移量极小，适合长期监测。
- PAS：麦克风的灵敏度可能随时间降低，导致漂移。
- TDLAS：激光器的波长可能因温度变化而漂移，需要定期校准。
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测量响应速度
- TDLAS：由于直接测量吸收强度，响应速度最快。
- CRDS和PAS：响应速度稍慢，但仍在秒级范围内。
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样气处理
- CRDS：对样气纯度要求最高，污染会影响光学腔性能。
- PAS：需要干燥和过滤样气，但要求低于CRDS。
- TDLAS：对样气条件要求最低，适用于复杂气体环境。
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成本
- CRDS：由于光学腔和高反射率镜面的制造成本高，整体价格昂贵。
- PAS：成本适中，主要集中在麦克风和光声池。
- TDLAS：成本最低，因其硬件结构相对简单。
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应用
- CRDS：适用于极高精度要求的场景，如温室气体监测、稀有气体分离等。
- PAS：适合工业现场实时气体检测，特别是低成本、高灵敏度需求的场景。
- TDLAS：广泛用于工业过程控制和污染源监测。
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优势及局限性
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总结
选用建议：
- CRDS：适合对灵敏度和精度要求极高的场景，如科研、环境监测。
- PAS：适合工业现场的实时气体检测，性价比较高。
- TDLAS：适合快速响应和成本敏感的工业过程控制和污染监测。