TDLAS半导体激光光源测氨气浓度(NH3)

2020/04/26   下载量： 3 次

方案摘要

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应用领域 石油/化工
检测样本 工业气体
检测项目 含量分析>氨氮
参考标准 国家气体浓度统一标准

TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）它是利用激光器波长调制通过被测气体的特征吸收区，在二极管激光器与长光程吸收池相结合的基础上，发展起来的新的气体检测方法。 TDLAS技术采用的半导体激光光源的光谱，宽度远小于气体吸收谱线的展宽，得到单线吸收光谱，因此TDLAS技术是一种高分辨率吸收光谱技术。

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配置单
方案详情

一，氨气： NH3，是一种易具有刺激性气味，无色有毒，比空气轻，弱碱性，沸点较低，极易溶于水，易液化的气体。在高温时会分解成氮气和氢气，有还原作用。可由氮和氢直接合成而制得。在工业中常被用来于制液氮、氨水、硝酸、铵盐和胺类等。

二，理论基础

 1，比尔-朗伯定律

   一束激光穿过浓度为C的被测气体时，当激光器的波长和被测气体某个吸收谱线中心频率相同时，气体分子会吸收光子而跃迁到高能级，表现为气体吸收波段激光光强的衰减

 2，波长调制光谱技术

 A) 激光器的调谐特性

DFB激光器  由于具有良好的单色性，窄线宽特性和频率调谐特性，DFB激光器能够很好的避免其他背景气体的交叉干扰，使检测系统具有较好的测量精度，因此被广泛的用于气体检测

B）谐波检测理论

   通过对激光器的驱动电压加高频正弦电压信号，从而改变电流，使输出频率也按正弦规律变化。通过给激光器驱动加锯齿波电压，使其输出波长在气体吸收峰两侧扫描，利用锁相放大器调制并解调出谐波信号，进行气体浓度的测量。

3，吸收谱线选取的原则

在进行气体检测是，对吸收谱线的选取非常关键，应考虑以下几个方面

（1）气体在选定的谱线处要有较强的吸收峰，

（2）谱线波长对应的激光器光源技术要相对成熟

（3）在选定的吸收谱线处没有背景气体吸收的干扰，或吸收相对较弱，可以忽略

三．实验仪器

1，1512 DFB激光器

特点：波长稳定性好，窄线宽，单纵模可调谐，14引脚封装


光谱图                                            

图片1.png


调谐曲线

图片2.png 

 

 

2，TDLADS激光气体检测综合控制盒

图片4.png图片3.png 

 

 

 

 

 

 

 

 



3，长光程吸收池（20m）

4，示波器

5，电压转换模块


四，吸收波长选取

根据1512nmDFB 调谐范围，我们可以通过查询Hitran数据库

图片5.png 

波长

能量

波速

1512.235

2.26E-21

  6612.7258

1512.247

1.05E-21

6612.6725

1513.865

3.36E-21

6605.6088

1513.98

3.31E-21

6605.1042

1513.855

3.15E-21

6605.6518

1514.067

2.38E-21

6604.7275

1513.877

1.58E-21

6605.556

1511.342

1.07E-21

6616.6329

1511.281

1.07E-21

6616.9021

 

得到在1513.8nm附近有最强吸收峰，且没有其他气体的干扰。实验中我们可以测试1513.8nm处的二次谐波幅值和1512nm处的二次谐波幅值作为对比。


五，实验测试过程及结果

图片61.png图片71.png 

1，如上图所示，1，LASER  OUT连接光程池输入端

2，光程池输出端经过电压转换模块接入PREAMP

              3，TRIG OUT接入示波器通道1

4，DAC OUT 接入示波器通道2

2，过程分析：激光器发出的光经过气体吸收池，通过电压转换模块进入PREAMP端前置放大电路，再经过锁相放大器调制解调，通过DAC OUT 模拟输出端到示波器通道2，显示二次谐波的信号。整个过程中，我们通过调节软件中的各项参数，同时观察输出波形，使输出波形最优。

3，实验结果：1512nm二次谐波波形及调整参数

 

图片9.png图片81.png 

 


1513.8nm二次谐波波形及调整参数

图片101.png                         图片11.png

 

4，结论：由此我们看出，吸收峰值越高，二次谐波幅值越大，因此探测浓度的下限越低，探测精度越高。

 

在实际探测氨气浓度时，我们选取中心波长1513.8nm来进行标定。调制参数不变，通过二次谐波的幅值来计算气体浓度。


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文献贡献者

筱晓（上海）光子技术有限公司
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