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TDLAS半導體激光光源測氨氣濃度(NH3) - 筱曉光子試驗小分享①

來源:筱曉(上海)光子技術有限公司   2021年11月26日 14:34  

TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy )

它是利用激光器波長調制通過被測氣體的特征吸收區(qū),在二極管激光器與長光程吸收池相結合的基礎上,發(fā)展起來的新的氣體檢測方法。


TDLAS技術采用的半導體激光光源的光譜,寬度遠小于氣體吸收譜線的展寬,得到單線吸收光譜,因此TDLAS技術是一種高分辨率吸收光譜技術。



一、氨氣


NH3,是一種易具有刺激性氣味,無色有毒,比空氣輕,弱堿性,沸點較低,極易溶于水,易液化的氣體。在高溫時會分解成氮氣和氫氣,有還原作用。可由氮和氫直接合成而制得。在工業(yè)中常被用來制液氮、銨鹽、氨水、硝酸和胺類等。




二、理論基礎


  1,比爾-朗伯定律  


一束激光穿過濃度為C的被測氣體時,當激光器的波長和被測氣體某個吸收譜線中心頻率相同時,氣體分子會吸收光子而躍遷到高能級,表現(xiàn)為氣體吸收波段激光光強的衰減。




  2,波長調制光譜技術  


A)激光器的調諧特性

DFB激光器——由于具有良好的單色性,窄線寬特性和頻率調諧特性,DFB激光器能夠很好的避免其他背景氣體的交叉干擾,使檢測系統(tǒng)具有較好的測量精度,因此被廣泛的用于氣體檢測。


B)諧波檢測理論

   通過對激光器的驅動電壓加高頻正弦電壓信號,從而改變電流,使輸出頻率也按正弦規(guī)律變化。通過給激光器驅動加鋸齒波電壓,使其輸出波長在氣體吸收峰兩側掃描,利用鎖相放大器調制并解調出諧波信號,進行氣體濃度的測量。




  3,吸收譜線選取的原則  


在進行氣體檢測是,對吸收譜線的選取非常關鍵,應考慮以下幾個方面:

1)氣體在選定的譜線處要有較強的吸收峰;

2)譜線波長對應的激光器光源技術要相對成熟;

在選定的吸收譜線處沒有背景氣體吸收的干擾,或吸收相對較弱,可以忽略。




三、實驗儀器


  1,1512 DFB激光器  

特點:波長穩(wěn)定性好,窄線寬,單縱??烧{諧,14引腳封裝。



微信圖片_20210701115152.png



    光譜圖    



微信圖片_20210701115222.jpg






   調諧曲線   





  2,TDLADS激光氣體檢測綜合控制盒 





本產品是一款用于可調諧半導體激光吸收譜技術(可調諧半導體激光吸收譜技術(TDLAS))的控制模塊。主要功能包括:產生正弦波與三角疊加的數(shù)字激光驅動、可調增益、可調增益放大器、1f/2f 數(shù)字鎖相放大器、模擬輸出溫控單元、數(shù)字鎖相放大器、模擬輸出溫控單元、數(shù)字鎖相放大器、模擬輸出溫控單元 。運行參數(shù)及波形均可由電腦端控制和讀取。





  3,長光程吸收池(20m)

  4,示波器  

  5,電壓轉換模塊  


四,吸收波長選取

根據(jù)1512nmDFB 調諧范圍,我們可以通過查詢Hitran數(shù)據(jù)庫。








得到在1513.8nm附近有*吸收峰,且沒有其他氣體的干擾。實驗中我們可以測試1513.8nm處的二次諧波幅值和1512nm處的二次諧波幅值作為對比。






五,實驗測試過程及結果






  1,如上圖所示:


1)LASER  OUT連接光程池輸入端;

2)光程池輸出端經(jīng)過電壓轉換模塊接入PREAMP;

3)TRIG OUT接入示波器通道1;

4)DAC OUT 接入示波器通道2。


  2,過程分析:


激光器發(fā)出的光經(jīng)過氣體吸收池,通過電壓轉換模塊進入PREAMP端前置放大電路,再經(jīng)過鎖相放大器調制解調,通過DAC OUT 模擬輸出端到示波器通道2,顯示二次諧波的信號。整個過程中,我們通過調節(jié)軟件中的各項參數(shù),同時觀察輸出波形,使輸出波形*。


  3,實驗結果:


1512nm二次諧波波形及調整參數(shù):





  結論:





由此我們看出,吸收峰值越高,二次諧波幅值越大,因此探測濃度的下限越低,探測精度越高。



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