激光水汽分析仪
成果简介
1、项目基本情况
涡动观测系统是一种微气象学的测量方法，利用快速响应的传感器来测量大气—下垫面间的湍流气团特征，获得物质交换和能量交换的数据。涡动观测系统是一种直接测算通量的标准方法，是测定生态系统物质、能量交换通量的关键技术。涡动观测系统可以测量能量通量（显热通量、潜热通量、动量通量）和物质通量（CO2 / H2O）以及一些空气动力学参数等，主要应用于边界层理论研究、大气扩散、能量收支研究、水分等物质收支等众多领域。通量观测适用于森林、草地、农田、沙漠、城市、水域等各种下垫面环境，被广泛应用于中科院、林科院、气象局、海洋局及各科研领域对区域碳、水循环过程的研究；作为测算生态系统与大气间物质和能量交换信息的有效手段，为分析地圈-生物圈-大气圈的相互作用提供重要的数据基础，为大尺度、长期和连续的科学研究提供支撑。激光水汽分析仪是边界层涡动协方差通量监测系统中水汽通量测量的核心传感器，山东省科学院海洋仪器仪表研究所具有完全具有自主知识产权，并在国家重点研发计划项目和“**海洋”重大专项中进行了应用，经受了海上恶劣工况的考验。该设备采用 VCSEL 可调谐激光光源，在光源波长调谐范围内没有其它干扰气体，不受背景谱线干扰的影响，利用可调谐二极管激光吸收光谱技术实现水汽浓度的高动态、高精度测量。可应用于海气界面水汽通量测量、高湿环境湿度测量、边界层气象研究、全球碳水循环研究等领域。
2、核心技术及指标
（1）核心技术
项目面向国家亟需在海气界面通量观测领域打破国外技术垄断的迫切需求，突破了可调谐二极管激光吸收光谱技术水汽浓度检测方法、激光水汽浓度温度压力水汽分压组合修正算法和海上恶劣工况下光学窗口污染抑制等关键技术，研发了具有完全自主知识产权的高速、高精度激光水汽分析仪，打破国外技术封锁和垄断，实现国产化，为我国海气通量观测提供技术支撑。
（2）技术指标
校准范围：0~60mmol/mol
测量准确度：±1%读数
测量频率：1Hz、5Hz、10Hz、20Hz、40Hz（可选）
功耗：≤2.5W
3、产业上下游情况介绍及项目效益分析
激光水汽分析仪是涡动相关的核心传感器，在通量测量领域，美国 Campbell公司和 LI-COR 公司占据全球绝大多数份额，市场占有率在 90%以上，激光水汽分析仪在国内还没有其他成熟产品推出，我国各高校及科研院所所使用的通量测量设备均为进口产品，无国产替代产品。随着中美贸易战的打响，水汽通量测量设备在进口采购及设备维修维护方面遇到了诸多挑战，设备进口价格昂贵，维修维护周期长。我国水汽通量传感器的市场份额被国外产品垄断，急需从研发具有自主知识产权的国产传感器进行弯道超车。美国 LI-COR 公司是最早研发红外气体分析仪的龙头企业，其产品 LI7500 在2002 年至 2010 年之间拥有很高的市场占有率，但其产品一直与 Campbell 公司的超声风速仪 CAST3 合作，LI7500 也被 Campbell 贴牌为 CS7500 型号。自 2010 年后，因 Campbell 研制出 EC150，使 Campbell 和 LI-COR 变成了竞争对手，EC150 与 CSAT3 的组合版本占领了一部分市场。LI-COR 公司没有超声风速仪，他们和英国 GILL 公司合作，组合成新一代涡动相关仪LI7500+WINDMASTERPRO，尤其是英国的本地和欧洲通量网，大部分采用了 gill 风速仪和 LI7500 分析仪。截止到 2020 年，Campbell 公司的产品涡动在市场上占有微弱的优势，在局部领域，LI-COR 和 Campbell 各有所长。中科院安徽光机所也进行这类分析仪的研究，目前只是看到有相关论文和专利的出现，经过调研，项目距离产业化市场化还有很大的距离。美国 LI-COR 和 Campbell 公司生产的气体分析仪在通量测量领域处于垄断地位，产品价格比较昂贵， LI7500 和 EC150 市场价格均在 3 万美元以上。随着中美贸易战的不断加剧，LI7500 和 EC150 的价格仍在不断上涨，且供货周期非常长，给国产激光水汽分析仪的发展带来了机遇和挑战。另外，激光水汽分析仪具有测量精度高、响应速度快、高湿褪湿快等优点，在高温高湿环境可替代常规温湿度传感器使用，具有广泛的应用前景。截止到 2020 年不完全统计，全国通量气体分析仪保有量在 800 套左右，主要应用在科学研究领域。目前，水汽通量测量设备国内年需求量在 100 台左右，全球市场年需求量在 300 台左右。随着国家海洋强国战略的不断推进和国家气象监测网的不断发展，通量监测的业务化目前已经进入规划中，预计在未来 10 年内，气体分析仪的需求会不断增加。随着业务模式的应用成熟，接下来的发展空间会更大，考虑到新产品的接受过程，预计可以实现每年 50套的销售目标，年产值约 1000 万元。
4、技术转化所需条件
（1）资金需求：本项目约需投入 500 万元，投入时间：转化公司组建时。主要用于公司设立相关办公费用、资质申请、人员费与流动资金。预计公司工商登记、财务管理等费用 15 万元，市场宣传营销费用 35 万元，基础条件建设费用 100 万元，人员及公司日常维持费 100 万元，流动资金 200 万元，备用金 50 万元。
（2）场地需求：本项目需办公及组装场地 200 平，用于人员办公及传感器组装、调试、标定等。
（3）设备需求：本项目需采购温湿度检定箱、高精度冷镜露点仪、湿度发生器等标定测试设备。
涡动观测系统是一种微气象学的测量方法，利用快速响应的传感器来测量大气—下垫面间的湍流气团特征，获得物质交换和能量交换的数据。涡动观测系统是一种直接测算通量的标准方法，是测定生态系统物质、能量交换通量的关键技术。涡动观测系统可以测量能量通量（显热通量、潜热通量、动量通量）和物质通量（CO2 / H2O）以及一些空气动力学参数等，主要应用于边界层理论研究、大气扩散、能量收支研究、水分等物质收支等众多领域。通量观测适用于森林、草地、农田、沙漠、城市、水域等各种下垫面环境，被广泛应用于中科院、林科院、气象局、海洋局及各科研领域对区域碳、水循环过程的研究；作为测算生态系统与大气间物质和能量交换信息的有效手段，为分析地圈-生物圈-大气圈的相互作用提供重要的数据基础，为大尺度、长期和连续的科学研究提供支撑。激光水汽分析仪是边界层涡动协方差通量监测系统中水汽通量测量的核心传感器，山东省科学院海洋仪器仪表研究所具有完全具有自主知识产权，并在国家重点研发计划项目和“**海洋”重大专项中进行了应用，经受了海上恶劣工况的考验。该设备采用 VCSEL 可调谐激光光源，在光源波长调谐范围内没有其它干扰气体，不受背景谱线干扰的影响，利用可调谐二极管激光吸收光谱技术实现水汽浓度的高动态、高精度测量。可应用于海气界面水汽通量测量、高湿环境湿度测量、边界层气象研究、全球碳水循环研究等领域。
2、核心技术及指标
（1）核心技术
项目面向国家亟需在海气界面通量观测领域打破国外技术垄断的迫切需求，突破了可调谐二极管激光吸收光谱技术水汽浓度检测方法、激光水汽浓度温度压力水汽分压组合修正算法和海上恶劣工况下光学窗口污染抑制等关键技术，研发了具有完全自主知识产权的高速、高精度激光水汽分析仪，打破国外技术封锁和垄断，实现国产化，为我国海气通量观测提供技术支撑。
（2）技术指标
校准范围：0~60mmol/mol
测量准确度：±1%读数
测量频率：1Hz、5Hz、10Hz、20Hz、40Hz（可选）
功耗：≤2.5W
3、产业上下游情况介绍及项目效益分析
激光水汽分析仪是涡动相关的核心传感器，在通量测量领域，美国 Campbell公司和 LI-COR 公司占据全球绝大多数份额，市场占有率在 90%以上，激光水汽分析仪在国内还没有其他成熟产品推出，我国各高校及科研院所所使用的通量测量设备均为进口产品，无国产替代产品。随着中美贸易战的打响，水汽通量测量设备在进口采购及设备维修维护方面遇到了诸多挑战，设备进口价格昂贵，维修维护周期长。我国水汽通量传感器的市场份额被国外产品垄断，急需从研发具有自主知识产权的国产传感器进行弯道超车。美国 LI-COR 公司是最早研发红外气体分析仪的龙头企业，其产品 LI7500 在2002 年至 2010 年之间拥有很高的市场占有率，但其产品一直与 Campbell 公司的超声风速仪 CAST3 合作，LI7500 也被 Campbell 贴牌为 CS7500 型号。自 2010 年后，因 Campbell 研制出 EC150，使 Campbell 和 LI-COR 变成了竞争对手，EC150 与 CSAT3 的组合版本占领了一部分市场。LI-COR 公司没有超声风速仪，他们和英国 GILL 公司合作，组合成新一代涡动相关仪LI7500+WINDMASTERPRO，尤其是英国的本地和欧洲通量网，大部分采用了 gill 风速仪和 LI7500 分析仪。截止到 2020 年，Campbell 公司的产品涡动在市场上占有微弱的优势，在局部领域，LI-COR 和 Campbell 各有所长。中科院安徽光机所也进行这类分析仪的研究，目前只是看到有相关论文和专利的出现，经过调研，项目距离产业化市场化还有很大的距离。美国 LI-COR 和 Campbell 公司生产的气体分析仪在通量测量领域处于垄断地位，产品价格比较昂贵， LI7500 和 EC150 市场价格均在 3 万美元以上。随着中美贸易战的不断加剧，LI7500 和 EC150 的价格仍在不断上涨，且供货周期非常长，给国产激光水汽分析仪的发展带来了机遇和挑战。另外，激光水汽分析仪具有测量精度高、响应速度快、高湿褪湿快等优点，在高温高湿环境可替代常规温湿度传感器使用，具有广泛的应用前景。截止到 2020 年不完全统计，全国通量气体分析仪保有量在 800 套左右，主要应用在科学研究领域。目前，水汽通量测量设备国内年需求量在 100 台左右，全球市场年需求量在 300 台左右。随着国家海洋强国战略的不断推进和国家气象监测网的不断发展，通量监测的业务化目前已经进入规划中，预计在未来 10 年内，气体分析仪的需求会不断增加。随着业务模式的应用成熟，接下来的发展空间会更大，考虑到新产品的接受过程，预计可以实现每年 50套的销售目标，年产值约 1000 万元。
4、技术转化所需条件
（1）资金需求：本项目约需投入 500 万元，投入时间：转化公司组建时。主要用于公司设立相关办公费用、资质申请、人员费与流动资金。预计公司工商登记、财务管理等费用 15 万元，市场宣传营销费用 35 万元，基础条件建设费用 100 万元，人员及公司日常维持费 100 万元，流动资金 200 万元，备用金 50 万元。
（2）场地需求：本项目需办公及组装场地 200 平，用于人员办公及传感器组装、调试、标定等。
（3）设备需求：本项目需采购温湿度检定箱、高精度冷镜露点仪、湿度发生器等标定测试设备。
应用场景
不详