差分吸收激光雷达(DIAL)、可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)、紫外荧光法（UVF），非分散红外光谱技术（NDIR），差分吸收光谱(DOAS)技术
1 检测方法分类
根据检测手段依据的理论基础，这些检测方法可分为化学方法和光学方法两大类。
化学方法主要包括：电化学法、质谱法、色谱法等；
光学方法主要包括：差分吸收激光雷达(DIAL)、可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)、紫外荧光法，非分散红外光谱技术，差分吸收光谱(DOAS)技术等。
这些方法被广泛应用在工业检测中，各有优缺点，适用范围也不尽相同。
2 气体检测化学方法
电化学方法是：当待测气体扩散到工作电极时，会在电极表面发生反应，产生电解电流，电流强度与待测物质的浓度成正比，通过探测电解电流强度，可解析出待测气体的浓度信息。该方法一般只对高浓度气体效果明显，对低浓度气体检测偏差较大，另外电化学法依靠化学电池，检测持久性无法得到保障。电化学法存在一定的干扰，对气体用一定的要求，在检测之前需要对气体进行过滤，除去待测气体中的烟尘和水分。电化学法具有价格便宜、操作简单的特点，但由于化学电池等原因，无法连续测量、寿命一般较短，需经常更换，这些成为限制其应用的重要因素。
质谱技术：基本原理为利用高能电子使分子电离，将电离后的分子以一定的初速度射入电场和磁场中，通过电场和磁场的甄别，可按电离产生的离子的质荷比将待测物质与其他物质分离，产生不同物质的质谱。对于特定的物质质谱是唯一的，根据质谱可解析出物质的含量。质谱仪通常工作在真空环境下，常与气相色谱法联用，先由气相色谱法对物质进行初分，而后由质谱对分开后的单一物质进行进一步解析。质谱分析结果很准，但由于操作复杂、系统复杂、价格昂贵等因素很少应用在工厂环境中。
气相色谱分析：气相色谱法中以气体作为流动相，利用毛细管色谱柱对物质进行分离，不同种类的物质流动速度不尽相同，在长距离传输过程中会因流动速不同发生层析现象，即原本混合在一起的混合物会发生分离，而后将分离后的物质通过检测装置进行检测，可解析出待测物质的含量信息。色谱法可实现同时检测多种物质，具有应用范围广、灵敏度高、选择性强等特点，但其一般应用于离线检测，响应速度较慢，很难实现实时检测，且操作复杂，系统昂贵，是一种半定量研究方法，通常需要与其他技术联用来提高定量测量性能，这些因素都制约着气相色谱法在实时在线检测方面的应用。
3可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)：
以二极管激光器为光源，通过调节激光器电流控制器电流可使二极管发出的激光扫过一个很窄的波长范围，通过选取合适的激光器调制电流使激光器的输出波长范围完全覆盖待测气体的吸收谱线，而后用探测器接收在待测气体中传播后的激光强度，由气体吸收满足的基本理论 Beer-Lambert 定律，吸收光强随气体浓度呈 e 指数衰减关系，通过分析光强变化可以推导出待测气体浓度信息。TDLAS 对二极管激光器的模式有一定的要求，它要求二极管激光器必须是单模激光器，并且测量过程中需要严格控制激光器工作温度，温度变化会导致光源光谱范围的漂移，当光谱范围超出气体吸收范围时，气体吸收就不会被探测到，综上所述 TDLAS 对工作环境要求较高。
图1 典型的TDLAS测试系统图
4 差分吸收激光雷达(DIAL)系统：
DIAL 的基本原理为激光雷达发射一对波长差很小的短脉冲激光，激光波长分别对应待测气体的强吸收处和弱吸收处，强吸收波长激光经气体吸收后光强会发生明显下降，弱吸收波长经气体吸收后光强下降不大，利用光电倍增管分别探测两束在待测气体中传播并被待测气体反射的激光光强，并记录两束激光到达探测器的时间，通过光在空间中传播的时间可反演出反射发生的具体空间位置信息和光在气体中传输过的距离，通过反射光强可推导出激光传播过的气体浓度。DIAL 技术系统因结构复杂、造价昂贵，对激光器的功率、脉宽和可调谐性要求严格、系统体积庞大、便携性较差等特点限制了其广泛应用。
图2连续波差分吸收激光雷达系统框图
5 紫外荧光法：
基本原理为利用紫外光照射待测气体，待测气体吸收紫外光会受到激发，处于激发态的气体分子回到基态时会释放出能量，这些能量主要以光的形式释放出来，这些被释放出来的光即为荧光，通过气体释放出的荧光强度可以解析出气体的浓度信息。
一定范围的紫外光通过特定滤光片接触气体时，会因为特性激发气体分子变为激发态，激发态不稳定，在返回到基态时产生荧光，根据朗姆比尔定律可知荧光强度与气体检测浓度呈现一定的线性关系，所以可以利用检测荧光的方法实现气体检测。其具有灵敏度强、稳定性好、实时检测不需要化学试剂等优点。例如，大气中受关注的分子，如臭氧、二氧化氮、二氧化硫、硫化氢、苯、甲苯、乙苯和二甲苯（对二甲苯、间二甲苯、邻二甲苯）在深紫外区域（λ＜300 纳米）表现出强烈的吸收带，如图 3 所示。
图3 不同气体的紫外（UV）吸收光谱
气体分子产生荧光现象需满足一定的条件，一是被测气体分子的荧光频率必须与照射气体的光线频率相同，二是被测气体分子吸收特定频率的能量后，具备一定的荧光效率。荧光光谱法的优点是：高灵敏度、操作简单；缺点是：其探测范围有限，在低浓度时线性度很好，但不适用于高浓度气体的测量。典型的紫外分光光度计主要由紫外发射源、气体池和紫外光电探测器组成，如图4所示。
图4 紫外吸收分光光度法的示意图
6 非分散红外光谱技术 (NDIR)：
气体对红外线也存在特征吸收，用红外光源照射待测气体时，红外线所携带的辐射能中的一部分被气体分子吸收，从而引起红外光谱的变化，吸收后的气体经两路探测器接收转换为已经吸收红外光的测量信号电压与未吸收此段红外光的参考信号电压，利用朗伯比尔定律反演出二氧化硫浓度。非分散红外吸收法通过实验数据标定，加入必要的约束条件，能够实现检测气体含量的准确性。用于气体测量的非分散红外（NDIR）技术以红外光谱中的波长吸收为目标，作为识别特定气体的一种方法。NDIR 技术适用于检测来自排放源的空气污染物，如一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）、二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NOx）、一氧化二氮（N₂O）、氨（NH₃）、氯化氢（HCl）、氟化氢（HF）和甲烷（CH₄）等。一个典型的 NDIR 由光源、气室和探测器组成。
图5 非分散红外（NDIR）气体传感器的典型结构
与其他光谱技术相比，NDIR 的一个优势是其低能耗。波长在 1 - 15 微米范围内的红外光源可以在比其他光源更低的温度下运行
7 差分吸收光谱(DOAS)技术
是一种用于大气环境监测和气体分析的光谱技术。原理是：空气中待测气体分子在紫外或可见光波段产生的差分吸收光谱，通过分析其差分吸收结构，来进行浓度求解。
图6污染介质中光的吸收与散射示意图
DOAS 技术适用于，在紫外或可见波段有明显特征吸收的大气痕量气体，比如O3、NO2和 SO2等常见污染气体，并且该技术也能准确的测量大气平流层中的 OH等物质。表 1中是几种主要空气污染物应用于 DOAS 系统的光谱范围，可做 为选择参考。
表1 应用于 DOAS 系统的光谱范围
DOAS 技术，凭借其低廉的探测系统成本、杰出的监测能力水平，已经在大气痕量气体监测领域得到广泛的应用。
差分吸收光谱技术的优点主 要有以下几点：
①仪器设计可实现紫外到可见光谱区的扫描，从而用一台仪器可 实时检测多种微量气体。
②由于该方法是非接触性测量，因而可以避免一些误差 源的影响，比如检测对象的化学变化、采样器壁的吸附损失等。
③差分吸收光谱 技术所测得的气体浓度是沿几百米到几公里长的光路上的气体浓度的均值，因而,可以消除某些非常集中的污染排放源对测量的干扰，使得检测结果更具有代表性。
④空气中的 NO3 最有效的检测方法就是利用差分吸收光谱技术检测，并且对 OH 浓度的检测的结果被认为是比其他方法更为可靠的。
⑤差分吸收光谱技术在揭示 空气中尚未发现的成分方面有很大的潜力，这主要依赖于对光谱反演算法中剩余 光谱成分的分析。
一个典型的 DOAS 系统主要由以下几个部分构成：紫外光源、接收、发射望远镜、反射棱镜、分光计及光探测器、光电转换及处理电路。
图7 典型的 DOAS 系统
其工作过程如下：高压氙灯发出的紫外光由出射望远镜 M1 准直后，射入空气 中，经过一定距离后，被反射棱镜 M2 反射回来；接收望远镜 M3 接收反射回来的 带有吸收结构信息的光束，将光线会聚到光纤的入射镜面；光通过光纤，被传递 到光栅光谱仪的入射狭缝上；经光谱仪分光色散，使光束按波长大小排列成一条 光谱，发射到出射狭缝；由光探测器接收光谱仪的出射光谱，将其转化为电信号；最后经处理电路放大滤波，AD 转换，输入计算机做数值处理，得出所求的气体的 浓度值。
