不受背景气干扰是激光法气体检测中经常被人挂在嘴边的一句话。那么到底受不受干扰呢?相对红外法,激光法有更好的抗背景干扰能力,但在很多情况下还是会受到干扰,受干扰的情形分为两种,第一种是谱线展宽受背景气影响,第二种是吸收谱线本身受到干扰。
一、谱线展宽受背景气影响带来的干扰

图1 激光吸收光谱原理
如图1所示,激光的波长会随着调制电流的变化而变化,当一束激光通过波长持续变化,扫描过一根吸收谱线时,接收信号会出现一个凹坑,这个凹坑提取之后如图2。从顶端往下一半的开度就是谱线展宽如图3。
这个展宽受很多因数的影响,其中背景气就是一个重要因数。气体分子可以接收特定波长的光子,但接受的过程是不一样的。背景气体不一样,气体分子的运动就会受到影响,就像一个人在人群里面,人群的密度、强壮程度不一样,这个人的活动空间就不一样,吸收光子时的状态也就不一样。同样浓度的气体在不同的背景下,可能会出现不同形状的吸收截面如图4。

图4同一浓度不同背景气的吸收截面
为了提高灵敏度,常常采用二次谐波解调的方式进行测量,因为吸收截面形状不同,解调出的信号会出现较大的差异,对结果就产生了影响。这也是很多激光分析仪需要根据不同背景输入不同补偿系数的原因。
如果采用直接吸收法,也就是直接用进行吸收截面来计算气体浓度,这个影响就几乎可以忽略,有更好的抗干扰能力。
二、吸收谱线交叉带来的干扰
再来看一幅图(图5),这是水分子在近红外到中红外的吸收谱线图,可以看到吸收极为丰富。另外还有一些像甲烷等这些气体也有极为丰富的吸收谱线。

图5 水分子吸收谱线
我们再来看一副图(图6),这是甲烷背景下的1370nm附近的微量水气的吸收谱叠加。可以看到水分信号完全被掩盖了,存在很强的交叉干扰。

图6甲烷与水分子吸收谱线交叉干扰
因此我们在采用激光法时需要考虑交叉干扰,特别是在以下几个场景采用激光法进行气体分析时,特别要注意。
一是高湿背景下的微量组分。很多工业环境中,比如烟气中存在大量水分,当我们要测量微量组分,比如氨气等气体时需要注意。
二是测量天然气背景中的气体,比如水气、硫化氢时也需要特别注意交叉干扰问题。
三是在很多碳氢组合体系中,由于分子结构的原因,也需要特别注意交叉干扰问题。
四是所有高浓度极性分子为背景的体系中,测量微量组分,也都需要考虑干扰的影响。
有时用激光法进行气体分析,常常存在交叉干扰难以解决的问题,还有一个原因是任意波长的激光器是较难获得的,特殊波长激光器需要付出较大的成本代价。