气体分析已应用于各种场所和用途，例如测量汽车排放和监控烟气排放。近年来，气体分析的用途进一步扩大，已经开始研究通过呼吸分析实现疾病的早期检测和诊断。滨松为光学气体测量提供广泛的光源和探测器。
一，光学气体探测分析的特点
由于每个气体分子都有自己的吸收波长，因此可以通过测量该波长处的吸光度来测量气体的浓度。特别是在红外区，由于气体分子的振动，气体特有的吸收波长较多，因此红外区被用于测量各种气体。如下图：
例如下图中所示，光照射到气体，然后通过检测透射或反射的光来监控吸光度。通过在考虑目标气体及其周围环境的光吸收特性的情况下选择最佳装置，光学方法可以实现比其他气体测量方法更快的响应、更高的精度和更长的寿命。
二，为什么光学气体探测分析更有优势
1.高精度
光学气体检测受共存气体和水蒸气的影响较小，因为它检测每种气体的特定吸收波长。光学气体探测还可以对多个探测目标进行同时探测，效率高。
2.快速响应
光传感器本身具有更快的响应速度，使其适用于实时气体监控。即使在较短的测量时间内，它也能对大量数据进行积分和平均，从而实现更高精度的测量。
3.更长使用寿命
光学气体探测采用的是非接触式检测，有助于保持系统稳定，并减少传感器本身的劣化。此外，可以减少维护频率。因而具有更长的使用寿命。
三，光学气体探测分析的技术路线
1.NDIR
NDIR，Non-Dispersive InfraRed，非分散红外技术的简称。它利用气体分子对特定波长红外辐射的吸收特性来测定气体的浓度。当红外光源发出的红外辐射经过一定浓度待测的气体时，气体分子会吸收特定波长的光，与气体浓度成正比的光谱强度会发生变化，导致通过气体的光谱强度发生变化。因此，通过测量这种变化，求出光谱光强的变化量就可以反演出待测气体的浓度。
NDIR传感器通常包括一个红外LED光源、一个或多个光电二极管（PD）和一个气室。红外光源发出的光穿过气室并被光电二极管检测。光电二极管能够转换光信号为电信号，通过分析这些信号的衰减，可以计算出气体的浓度。NDIR技术可以采用单通道或双通道测量方案，其中双通道方案提供了更好的测量结果和稳定性，因为它使用参考通道来补偿与分析无关的信号影响。
单通道测量方案，即包含一个LED光源和一个光电二极管。该技术在大多数评价系统和传感器模块中都有应用，但是这种方法容易受到温度变化的影响，可能会造成一定的测量误差。
双通道测量方案又可以分成三种，一种是1个 LED搭配2个PD的，一种是2个LED搭配1个PD的，还有一种2个LED搭配2个PD的。
1）1个 LED搭配2个PD：这个方案将包括一个额外的PD，除了单通道测量的LED和PD外，还有个额外的光电二极管检测参考光路的信号，是为了做与分析无关的影响的信号的补偿。测量PD提供了测量信号，对分析物质的存在和浓度非常敏感，而参考PD的信号几乎不受影响。测量和参考信号的处理，即使在恶劣的温度和环境条件下，也能获得稳定可靠的测量结果，因为光电二极管对外界环境的反应是相同的。
该方案可采用两种方法实现：a . 参考PD与测量PD拥有相同的灵敏度，并紧靠着LED发光口处，从而保证了在短光程时的信号衰减最小；b. 参考PD的敏感频谱避开被测分析气体的吸收频谱频谱，但可以对LED光谱有响应，因此该方案需要一个光谱范围足够宽的LED，使两个不同光谱响应范围的PD都能响应，这种方式需要让参考PD紧靠测量PD。
2）2个LED搭配1个PD：这个方案将包括一个额外的LED，除了单通道测量的LED和PD外，还有个额外的LED发射参考光信号，测量LED所发出的辐射波长与分析气体的吸收光谱相对应，而参考LED发射不被被测气体吸收的波长的光，从而根据PD所检测到的测量LED和参考LED之间的信号差来分析被测气体的浓度。
3）2个LED搭配2个PD：这种方法与前一种方法类似，唯一不同的是引入了额外的光电二极管用于参考信号检测，整个方案将包括2个独立的通道，测量通道的光谱可被被测气体吸收，参考通道的光谱不可被被测气体吸收，通过双通道检测到的信号差别来分析被测气体的浓度。
NDIR路线的优点包括允许设计低成本的解决方案，简单和紧凑的传感器设计以及提供可接受的结果。此外，NDIR路线不需要频繁校准，这降低了维护成本和复杂性。
NDIR技术路线的产品推荐：
②中红外 LED L1589X 系列
③InAsSb 光伏元件 P16112 系列及其他（配备带通滤波器）
2.FTIR
傅里叶变换红外光谱仪(Fourier Transform Infrared Spectrometer，简写为FTIR)，不同于色散型红外分光的原理，是基于对干涉后的红外光进行傅里叶变换的原理而开发的红外光谱仪，主要由红外光源、光阑、干涉仪(分束器、动镜、定镜)、样品室、检测器以及各种红外反射镜、激光器、控制电路板和电源组成。可以对样品进行定性和定量分析，广泛应用于医药化工、地矿、石油、煤炭、环保、海关、宝石鉴定、刑侦鉴定等领域。
1）FTIR原理
待测样品受到频率连续变化的红外光照射，分子基团吸收特征频率的辐射，其振动或转动运动引起偶极矩变化，产生分子的振动能级和转动能级从基态到激发态的跃迁，形成的分子吸收光谱。
红外吸收光谱主要用于材料的基团结构分析、材料的定性及定量分析：
①特征吸收频率------基团（定性分析）
②特征峰的强度------定量分析
2）FTIR特点
①扫描速度快：傅里叶变换红外光谱仪是按照全波段进行数据采集的，得到的光谱是对多次数据采集求平均后的结果，而且完成一次完整的数据采集只需要一至数秒，而色散型仪器则需要在任一瞬间只测试很窄的频率范围，一次完整的数据采集需要十分钟至二十分钟。
②信噪比高：傅里叶变换红外光谱仪所用的光学元件少，没有光栅或棱镜分光器，降低了光的损耗，而且通过干涉进一步增加了光的信号，因此到达检测器的辐射强度大，信噪比高。
③重现性好：傅里叶变换红外光谱仪采用的傅里叶变换对光的信号进行处理，避免了电机驱动光栅分光时带来的误差，所以重现性比较好。
3）应用领域
① 已知物的鉴定
② 未知物的结构鉴定
③ 特殊材料的定量分析
FTIR技术路线的产品推荐：
①InAsSb 光伏元件P16112 系列及其他
3.TDLAS
TDLAS是Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy的简称，该技术主要是利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性，通过调制激光器的波长，使激光器的波长扫描过被测气体分子的吸收峰，从而基于比尔朗伯定律，使气体分子对被调制的激光进行吸收，从而根据吸收量实现对气体分子浓度的测量。
调谐半导体吸收光谱(TDLAS)技术系统组建示意图
调谐半导体吸收光谱(TDLAS)技术驱动需要使用锯齿电流扫描信号给到激光器，从而使激光器发出的激光的波长是调谐扫描的。驱动波形采用的是低频锯齿波叠加高频正弦波的方式，三角波为扫描作用决定输出强度，正弦波为调制作用。如下波形图：
TDLAS驱动信号叠加理论图和实测图
经过气体吸收之后，需要通过TDLAS信号解调板对光电二极管得到的光电信号进行解调，从而得到随浓度变化的2f谐波信号。如下图：
TDLAS解调信号理论图
TDLAS解调信号实测图
TDLAS解调信号实测图
调谐半导体吸收光谱(TDLAS)技术主要应用于环境监测、工业过程控制、安防火灾、汽车尾气监测、生物和医学研究等领域光谱检测。
TDLAS技术路线的产品推荐：
①CW 量子级联激光器L1200X 系列
③带前置放大器的 InAsSb 光伏元件 P16702-011MN
④带前置放大器的红外检测模块 C1721X 系列
4.DOAS
DOAS（Differential Optical Absorption Spectroscopy）差分吸收光谱技术是一种通过测量微量气体在紫外和可见光谱区域内对特定波段的吸收强度来演算得到微量气体浓度的方法。
DOAS为一种被广泛使用的确定大气气体浓度的方法。大气中不同的气体在光谱中留下它们各自特殊且特定的吸收痕迹，从中便可以检索到这些气体的浓度。而差分吸收光谱技术的本质就是气体分子对光辐射的吸收。
1）DOAS的组成结构
DOAS 技术的气体检测可根据光源的不同分为被动式和主动式。 被动式的DOAS系统主要以来自太阳，月亮等星体的光为光源，而目前多数主动式的DOAS系统，以氘灯或氙灯作为光源。
我们主要讨论主动式的DOAS仪器设备。DOAS系统主要包括：光源发射端、接收端、紫外气体吸收池、光缆、单色仪、光谱仪、计算机等。
2）技术特点
DOAS技术与传统的大气测量技术相比，有着显著的优势和特点：
①DOAS技术的测量范围长，可以检测到几百米甚至千米范围内的气体吸收，与点测试方法相比，小区域范围内的干扰对目标气体结果的准确性影响不大。并且其测量范围广，在揭示空气尚未发现的成分方面有很大潜力。
②DOAS技术测量的是连续波段的光谱，在这段光谱范围内，会存在不同气体的特征吸收，实现同时监测多种气体浓度。对于一些浓度极低的痕量气体，如甲苯，单环等。
③DOAS技术是非接触性测量方法，不破坏痕量气体特征，不受水汽干扰，可避免检测对象等误差源的影响。
④DOAS 技术具有高灵敏度、高时间分辨率、且响应速度快，可实现在线实时监测。
3）测量原理与算法
DOAS技术广泛应用于紫外和可见光区域范围。一些气体分子在紫外-可见波段内的吸收特性属于频率较高的吸收，俗称窄带吸收，而大气或烟气中的颗粒物引起的瑞利散射和米氏散射为宽带吸收。DOAS技术正是将吸收光谱中窄带部分和宽带部分分离，以消除大气分子散射的影响。
紫外-可见波段部分气体吸收光谱
DOAS技术可以检测到NO、NH3、O3、SO2、H2S、CIO2、NO2、C6H6等具有窄带特征吸收的气体分子。
在气体环境中，瑞利散射和米氏散射也会导致消光散射。这两种散射是大气中主要的散射因素，因而造成光散射偏离。散射光不能被探测器接收到，但是这种没有被探测器接收到的光，在DOAS技术处理过程中，可能被视为分子的“过程”。
气体通道中的各种消光效应
因此，在DOAS的算法过程中，这两种散射所造成的消光会被加入到比尔朗伯定律的等式中, 从而得到以下等式：
其中τ被定义为光学厚度，即光程、气体吸收截面和气体浓度这三者的乘积。而 εR (λ)和 εM (λ) 则分别为瑞利散射和米氏散射的效果系数。
在差分吸收光谱方法的基本思路是: 由气体分子吸收引起的光学厚度的变化是随着波长变化而快速变化的，由瑞利散射和米氏散射引起的光学厚度的变化是随着波长变化而缓慢变化的。因此，可以将分子引起的光谱快播变化部分称为“窄带”部分，对应于频率中的高频部分，将瑞利散射和米氏散射引起的光谱慢波变化部分称为“宽带”部分，对应于频率中的低频部分，采用高通滤波器可以将“窄带”部分的光谱分离出来。气体的标准吸收截面σi (λ)也分为两部分：
其中：σiˢ(λ)为吸收截面宽带光谱吸收部分，σi’(λ)为吸收截面中窄带光谱吸收部分。
微分横截面σ’是总横截面σ与缓慢变化的σˢ之间的差
结合上述两个等式，即可分离出差分光学厚度，并与差分吸收截面进行拟合，测量出大气中痕量气体的浓度，并有效的消除瑞利散射和米氏散射的影响。DOAS技术的一项关键步骤是提取原始光谱中表示气体特征吸收的快波变化部分。目前使用的快波变化和慢波变化分离的方法中， Savitzky-Gloay数字平滑多项式法是效果比较好的方法，它是一种基于多项式利用最小二乘法进行拟合的最佳拟合方法。
DOAS技术路线的产品推荐：
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