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拉曼气体分析仪如何实现非接触式实时检测?揭秘其无需前处理的技术原理
发布日期:2025-07-04 17:03:25

传统气体检测方法常常令人头疼不已:


接触式采样探头需要深入气体环境,在腐蚀性或高温场合极易损耗甚至引发事故;


复杂的脱水、除尘、除湿等前处理步骤耗时长,往往导致响应滞后数十分钟;


预处理环节本身就可能引入误差或损失目标气体,影响最终结果的准确性。


这些耗时费力且存在风险的操作,在面对需要快速响应的场景(如泄漏应急、工艺实时监控)时,显得力不从心。


拉曼气体分析仪的出现,彻底改变了这一局面,实现了真正意义上的非接触、免前处理、实时检测。它是如何做到的?


工业烟囱图片.jpg


一、 激光为眼:隔空感知气体成分


传统检测需要物理接触,而拉曼技术的核心突破在于用激光束代替了物理探头。


远距离照射:仪器发射特定波长的激光,直接照射到远处的待测气体区域。这束激光就是仪器的“眼睛”,赋予其非接触检测的能力。


开放光路设计:光线直接在开放空间中传播并作用于气体分子(或通过透射池)。无需将气体抽吸入复杂的预处理系统,避免了接触污染和延迟。


分子层面的“碰撞”:激光光子与气体分子发生相互作用,发生能量交换,引发拉曼散射效应。这是获取气体信息的关键物理过程。


二、 秒级响应:拉曼散射与光谱的瞬时捕捉


实时性的奥秘,藏在光与分子相遇的瞬间以及后续的高速处理中。


独特的能量指纹 - 拉曼位移:当激光光子与气体分子碰撞时,大部分光子发生弹性散射(瑞利散射,能量不变)。少数光子(约百万分之一)发生非弹性散射,其能量因与分子振动/转动能级交换而改变,产生具有特定能量差(拉曼位移)的散射光。


高速光谱捕获:散射光携带着气体分子的“指纹”信息(即拉曼位移特征),被高灵敏度探测器阵列(如现代高性能探测器)快速捕获。


实时数据处理:采集到的原始光谱信号,通过高速算法即时进行处理。这些算法能迅速识别光谱中的特征峰位、强度,并在极短时间内完成与已知气体拉曼光谱数据库的比对分析,输出气体种类和浓度结果。整个过程通常在秒级甚至更快完成。


三、 直达本质:光谱指纹的直接解读术


无需前处理的最大优势,源于拉曼光谱技术本身的独特物理特性和现代仪器的强大分析能力。


独一无二的身份编码:每种气体分子都有其特定的振动/转动模式,这决定了它们产生唯一且位置固定的拉曼位移峰(特征峰)。如同人类指纹,这些峰是气体成分的直接身份标识。仪器通过识别特征峰的位置即可确认气体的存在。


共存气体的精准区分:即使多种气体混合存在,只要它们的拉曼特征峰在光谱上能够分辨(通常具有足够的峰间距),算法就能有效区分并定量分析每种气体成分,无需预先分离。


突破灵敏度瓶颈:拉曼散射本身信号极其微弱(远弱于瑞利散射),这是其早期应用的障碍。然而,现代仪器的灵敏度已取得质的飞跃。先进的激光源、高光通量光学设计、超低噪声探测器及降噪算法的结合,使得探测低浓度气体(如ppm级)成为现实。


智能算法降噪除杂:实际环境中存在各种背景干扰信号(如强瑞利散射线、环境光、其他共存气体的弱信号、仪器噪声等)。强大的数据处理算法(如自适应背景扣除、小波变换降噪、多元统计分析等)能够有效地从复杂光谱中提取出目标气体的特征峰信号,显著提升信噪比和检测准确性。


四、 拉曼气体分析仪推荐


鉴知®RS2600气体分析仪基于激光拉曼光谱原理,可检测除惰性气体外的所有气体,可实现多组分气体同时在线分析。


气体分析仪.jpg


产品优势:


多组分:多组分气体同时监测;


灵敏度高:定量范围ppm~100%,灵敏度为同类产品100倍;


适用广:500+种气体可测,可检测除惰性气体外的所有气体;


秒级响应:单次检测时间< 2s;


维护简单:可耐受高压,直接检测无耗材。


可用于检测:


石化领域可检测CH4甲烷、C2H6乙烷、C3H8丙烷、C2H4乙烯等烃类气体;


氟化工领域可检测F2氟气、BF3氟化硼、PF5五氟化磷、HCl氯化氢、HF氟化氢等腐蚀性气体;


冶金领域可检测N2氮气、H2氢气、 O2氧气、 CO2二氧化碳、 CO一氧化碳等气体;


可检测H2、D2、T2、HD、HT、DT等同位素气体。


总结:开启气体检测的全新范式


拉曼气体分析仪凭借其独特的光物理原理和现代技术支撑,完美解决了传统气体检测中接触风险高、响应滞后、前处理复杂且易引入误差的核心痛点。


它以光为桥梁,实现了对气体分子的隔空识别;它解读分子独一无二的振动光谱指纹,直达成分本质;它利用高速采集与智能算法,达成即时反馈。


这项技术正推动工业过程控制、环境监测、安全应急、科研探索等领域的气体分析方式发生根本性变革,让气体成分的洞察变得更安全、更快速、更直接。


鉴知技术简介:


北京鉴知技术有限公司是一家以光谱检测技术为核心的专业公司。基于高灵敏度拉曼光谱技术及智能定量算法,开发了在线气体分析仪和在线拉曼分析仪,已在精细化工,生物制药,钢铁冶金等行业的工艺在线监测中大量使用,为用户显著提升工艺效率和产能。


常见问题:


Q1:拉曼气体分析仪能检测所有气体吗?


A:并非所有气体都容易被检测。拉曼信号的强弱与分子本身的特性(如极化率变化)有关。对称性高的单原子分子(如氩气)和同核双原子分子(如氮气N²、氧气O²)拉曼信号极弱或没有信号。但大多数多原子分子气体(如CO²、CH⁴、H²S、SO²等)具有良好的拉曼活性,是其主要的应用对象。


Q2:它的检测极限是多少?能测很低浓度吗?


A:检测限受多种因素影响(如激光功率、光学系统效率、探测器灵敏度、积分时间、气体种类本身)。现代高性能拉曼气体分析仪通常能达到ppm(百万分之一)级,部分特定气体或在特定优化条件下可达到ppb(十亿分之一)级。对于拉曼活性非常强的气体,灵敏度更高。


Q3:混合气体中成分相互干扰怎么办?


A:拉曼光谱的核心优势之一就是其指纹特性。只要不同气体的特征拉曼峰在光谱图上能够分辨开(位置不重叠或重叠度低),先进的解谱算法(如多元线性回归、最小二乘法、主成分分析等)就能有效分离和定量计算各组分浓度。良好的仪器分辨率和算法是解决干扰的关键。


Q4:环境中的水汽、粉尘会影响检测吗?


A:水汽和粉尘会产生背景拉曼信号或引起光散射/吸收,是主要的干扰源。然而,拉曼技术的一大优势在于其相对强大的抗干扰能力:


水汽有其特定的拉曼峰(主要在OH伸缩振动区),算法可以识别并进行背景扣除。


粉尘主要引起米氏散射(类似瑞利散射,但更宽),现代仪器通过光学设计(如窄带滤光片)和算法(如基线校正、特征峰拟合)能有效抑制其影响。当然,极端恶劣的环境仍需考虑物理防护(如清洁吹扫保护窗)。


Q5:这种方法需要校准吗?


A:是的,需要校准。 虽然拉曼位移是分子的固有属性(定性依据),但拉曼散射光的强度除了与气体浓度相关,还受到激光功率、光学系统传输效率、探测器响应等诸多仪器因素的影响。因此,为了获得准确的定量结果,必须使用已知浓度的标准气体对仪器进行校准,建立浓度-峰强度的响应曲线(或模型)。定期校准也是保证数据准确可靠的必要环节。