一, 1392nm空气中水分子TDLAS激光分析测试地点:筱晓(上海)光子有限公司演示实验室 测试人:王秀祥 测试日期:2018-06-26TDLAS技术介绍:TDLAS是 Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy 的简称,中文翻译为可调谐半导体激光吸收光谱。可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是利用二极管激光器波长调谐特性,获得被测气体的特征吸收光谱范围内的吸收光谱,从而对污染气体进行定性或者定量分析。*指标激光气体分析仪传统光谱在线分析仪(如质谱仪、红外仪器等)预处理系统不需要(简单的)必需*测量方法现场、连续、实时测量采样预处理后间断测量气体环境高温、高粉尘、高水分、高流速、强腐蚀等、恶劣环境适应能力强只能测量恒温、恒压、恒流、干燥及无粉尘的气体*响应速度快:仅取决于仪表响应时间,小于 1 秒慢:取决于采样预处理时间、样品气传输时间和仪表响应时间,超过 20 秒准确性实地测量,气体信息不失真;测量值为气体线平均浓度;不受背景气体、粉尘及气体参数影响溶解吸附泄漏导致气体信息失真;测量值为探头位置局部浓度;背景气体、粉尘及气体参数影响测量的准确性连续性连续测量间断测量:反吹时无法测量可靠性无运动器件、可靠性高较多运动部件,可靠性低*测量参数可同时测量气体浓度、温度、流速等参数只能测量气体浓度介质干扰不受背景气体交叉干扰;自动修正粉尘及光学视窗污染干扰受背景气体的交叉干扰,无法定量修正粉尘及光学视窗污染干扰*样气排放无样气排放,安全无污染有样气排放,危险有污染标定维护标定:3~4 次/年;维护:3~4 次/年,自动提示标定:一个月 2~3 次;维护:经常运行费用无需备品备件;运行费用接近于零(仅为电费)需要较多备品备件;年费用一般为系统成本的 20%左右TDLAS与传统测量方法性能对比: 工程师安装调试现场 软件控制界面:(H20调试设定的吸收谱线值) 局部连接装置: (线缆连接图) 整体光路调试图 (专利技术无需光路调节对准,直接光纤耦合输入光纤耦合输出) (高SNR 2f信号光谱图)(上海空气中的水分子作为待测气体)我们的客户: 设备装箱清单:配件名称数量规格说明TDLAS综合控制盒1个1个NTT DFB激光器;1个PCI锁相控制板;激光器驱动底座;温度控制装置30m长光程气体吸收池1光纤耦合输入输出,无对准2mm大光面光电探测器1 内置于Herriote Cell探测器电源1 12V双通道示波器1 RIGOL待测气体1空气中水分子 无污染不需要购买±5V/±12V电源适配器1FC/APC光纤适配器11392nm单模光纤跳线13米控制盒与气体池连线USB数据线11米SMA转BNC信号线10.8米控制盒与探测器连线BNC转BNC信号线10.8米控制盒与示波器连线探测器电源线1根1米探测器跳线1根0.3米红外激光显示卡1张内六角螺丝刀1份UBC 控制软件1份测试结果说明:通过本次H2O(气体)系统搭建及其测试,证明我司的TDLAS控制箱以及长光程气体吸收池工作正常,性能优良,高达600dB的SNR能够很好地检测出空气中0.04%水分子的且系统噪声较低,初步估算灵敏度可达1ppm的下限。 系统升级服务:对于常见的气体我们同时为客户提供有偿的标定,以及软件设计服务,我们可以让我们的系统直接输出浓度值。目前支持直接输出浓度值的气体如下:(TDLAS系统操作软件) 二,7.4um QCL结合空芯光纤气室气体分析系统 分析空气中H2O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时,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7.4um QCL结合空芯光纤气室气体分析系统 分析空气中H2O,7.4um QCL结合空芯光纤气室气体分析系统 分析空气中H2O通用参数实验仪器1、7.4um低功耗台式DFB-QCL中红外量子级联激光器QCL7400 - 7.4um低功耗台式DFB-QCL中红外量子级联激光器是筱晓2018上半年开发出的国内先进低功耗的QCL DFB激光.超过100nm的可调谐范围,输出功率大于25mw满足客户测试气体传感等工业需求。我们的激光器准直输出输出功率稳定,温度波长稳定性高比传统大功耗的量子级联激光器的稳定性高出好几个数量级。为我们中红外测试的客户提供了最佳的测试光源。光谱图波长温度电流调谐曲线2、5米长光程小型化Mini中红外空芯光纤气体吸收池HC-5-MIR 5米长光程气体吸收池可应用于光谱分析检测,坚固,紧凑的气室采用了中空光纤盘绕,其排列非常简单。在中空纤维中,探测光束和分析物重叠,从而实现了灵敏的激光吸收光谱,并以最小的样品量进行痕量气体和同位素分析。3、2-15um碲镉汞(MCT)中红外光电探测器,带放大,带TECMCT-15-4TE放大探测器是一种热电冷却光电导HgCdTe(碲镉汞,MCT)探测器。这种材料对2.0到15 μm的中红外光谱波段光波敏感。半导体制冷片(TEC)采用一个热敏电阻反馈电路对探测器元件的温度控制在-30 °C,从而将热变化对输出信号的影响最小化。为了获得最佳效果,我们推荐将输出电缆(不附带)与一个50欧姆的终端连接。由于探测器是AC偶合的,因此它需要一个脉冲或斩波输入信号。 交流耦合探测器不会看到未斩波的直流信号,因为它们对只对强度变化而不是强度的绝对值敏感。三、实验测试 本次实验使用7.4um QCL激光器结合5米光程空芯光纤气体吸收池测试空气中的H2O气体。系统示意图操作步骤:1、安装7.4umQCL激光器,准直输出到空芯光纤气室的一端2、空芯光纤气室的另一端接入MCT探测器3、用BNC转SMA线连接探测器和7.4um QCL激光器的PREAMP前置放大端4、 用一根BNC-BNC线连接示波器和7.4um QCL激光器的DACOUT模拟输出端5、 用一根BNC-BNC线连接示波器和7.4um QCL激光器的TRIG OUT触发端6、 打开激光器和探测器7、 调节软件参数,在示波器上观察二次谐波信号波形、幅值等信息过程分析:利用电脑端的控制软件调节电流和温度的大小对波长进行调谐,使激光器实现一定波长范围的扫描,使输出波长覆盖气体的吸收峰,锁相放大器提供高频正弦调制信号,使激光器输出频率得到正弦调制,激光器发出的光经过气体吸收池,通过探测器进入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。四、实验结果1、二次谐波波形及调制参数如下:二次谐波软件调制参数2、验证分析:通过查询Hitran数据库得到在波数为1354cm-1到1356cm-1范围内的吸收谱线如下:吸收峰波长约为7.381um,通过对比二次谐波幅值信息,与数据库相符合,由此验证是H2O气体。3、实验结论:通过测试,我们发现使用这套测试系统分析空气中的H2O气体时,二次谐波幅值可达150mV,说明这套测试系统精度很高。 产品清单:#名称描述数量17.4um中红外量子级联激光器峰值工作波长7.4um,输出功率5mW,光谱宽度1MHz,输出隔离度30dB,台式规格尺寸340(L)x240(W)x100(H)mm125米长光程小型化Mini中红外空芯光纤气体吸收池有效光程5m,波长范围3-12um,输出发散角30mrad,操作大气压0.01-1atm132-15um碲镉汞(MCT)中红外光电探测器响应波长范围2-15um,光敏面大小2x2mm,工作带宽10Hz-14MHz14U盘含操作软件,产品操作手册1三,7.4um QCL 结合空芯光纤气体吸收池分析系统 (实验分析空气中 H2O 水)一、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时,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7.4um QCL 结合空芯光纤气体吸收池分析系统 (实验分析空气中 H2O 水),7.4um QCL 结合空芯光纤气体吸收池分析系统 (实验分析空气中 H2O 水)通用参数 实验仪器1、7.4um低功耗台式DFB-QCL中红外量子级联激光器QCL7400 - 7.4um低功耗台式DFB-QCL中红外量子级联激光器是筱晓2018上半年开发出的国内先进低功耗的QCL DFB激光.超过100nm的可调谐范围,输出功率大于25mw满足客户测试气体传感等工业需求。我们的激光器准直输出输出功率稳定,温度波长稳定性高比传统大功耗的量子级联激光器的稳定性高出好几个数量级。为我们中红外测试的客户提供了最佳的测试光源。光谱图2、中空光纤式气体吸收池HC-5-FC-SMA中空光纤式气体吸收池包括光学窗口、光纤端口和气体端口。通过其中两个模块,您可以将中空光纤转化为台式气体吸收池,用于吸收光谱或基准波长应用,只需更换不同路径长度的光纤即可。3、2-15um碲镉汞(MCT)中红外光电探测器,带放大,带TECMCT-15-4TE放大探测器是一种热电冷却光电导HgCdTe(碲镉汞,MCT)探测器。这种材料对2.0到15 μm的中红外光谱波段光波敏感。半导体制冷片(TEC)采用一个热敏电阻反馈电路对探测器元件的温度控制在-30 °C,从而将热变化对输出信号的影响最小化。为了获得最佳效果,我们推荐将输出电缆(不附带)与一个50欧姆的终端连接。由于探测器是AC偶合的,因此它需要一个脉冲或斩波输入信号。 交流耦合探测器不会看到未斩波的直流信号,因为它们对只对强度变化而不是强度的绝对值敏感。三、实验测试 本次实验使用7.4um QCL激光器结合空心光纤气体吸收池测试空气中的H2O气体。系统示意图操作步骤:1、安装7.4umQCL激光器,准直输出到空芯光纤气室的一端2、空芯光纤气室的另一端接入MCT探测器3、用BNC转SMA线连接探测器和7.4um QCL激光器的PREAMP前置放大端4、 用一根BNC-BNC线连接示波器和7.4um QCL激光器的DACOUT模拟输出端5、 用一根BNC-BNC线连接示波器和7.4um QCL激光器的TRIG OUT触发端6、 打开激光器和探测器7、 调节软件参数,在示波器上观察二次谐波信号波形、幅值等信息过程分析:利用电脑端的控制软件调节电流和温度的大小对波长进行调谐,使激光器实现一定波长范围的扫描,使输出波长覆盖气体的吸收峰,锁相放大器提供高频正弦调制信号,使激光器输出频率得到正弦调制,激光器发出的光经过气体吸收池,通过探测器进入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。四、实验结果1、二次谐波波形及调制参数如下:2、验证分析:通过查询Hitran数据库得到在波数为1354cm-1到1356cm-1范围内的吸收谱线如下:吸收峰波长约为7.381um,通过对比二次谐波幅值信息,与数据库相符合,由此验证是H2O气体。3、实验结论:通过测试,我们发现使用这套测试系统分析空气中的H2O气体时,二次谐波幅值可达872mV,说明这套测试系统精度很高。 产品清单:#名称描述数量17.4um中红外量子级联激光器峰值工作波长7.4um,输出功率5mW,光谱宽度1MHz,输出隔离度30dB,台式规格尺寸340(L)x240(W)x100(H)mm12中空光纤式气体吸收池极其简单和稳固的对齐方式,波长范围:紫外到长波红外,光程范围:0.1至5m,低样品量:10mL,体积小巧;灵活布局132-15um碲镉汞(MCT)中红外光电探测器响应波长范围2-15um,光敏面大小2x2mm,工作带宽10Hz-14MHz14U盘含操作软件,产品操作手册1
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