气体中气体浓度检测方案(激光产品)

气体探测介绍 我们气体探测的原理是 TDLS (Tunable Diode Laser Spectorscopy)，如下图所示： 当LD 出光通过气体腔，用PD 对LD的光功率进行接收。 当改变 LD驱动电流是，输出光功率将会随之改变，出光波长也会有所改变，因此我们可以推导出输出光功率和出光波长的变化关系，查看下图： Fig. 2b 如果在波长扫频的范围内，没有出现气体吸收线，那么PD 接收的光功率和 LD 输出的光功率应该是一样的。但是，当我们在波长范围内发现吸收线是，在光功率测试时会有凹陷，查看下图。通过凹陷处的波长和深度，可以判断该气体的种类和强度。这个是气体探测的基本原理。 除了改变驱动电流之外，我们也可以通过改变激光器的工作温度，来达到波长扫描的目的。但是用改变工作温度的方式，比较慢，.-一般需要几秒钟，所以，通常情况下，我们先会用改变工作温度的方法调节波长的大致范围(包含相关气体的吸收线)，然后通过改变驱动电流的方法来进行精确的调节，改变电流的扫描速度一般在10Hz 到10KHz。 为了提高气体吸收的高灵敏度，我们需要增长气体腔的长度，但是这将会使设备变得更加庞大，为了解决这个体积问题，我们可以在气体腔体两端加上特殊的镜片(低损耗的反射镜)，他可以将激光器的出光在气体腔内来回的反射，这样光通过气体的距离就变长了，可以提高测试的高灵敏度，就算是很微弱的吸收线也可以完成良好的测试，原理查看下图： MP-TDLS(Multi-pass Tunable Diode Laser Spectorscopy)原理： Fig. 4b MP-TDLS Fig.4 normal TDLS and MP-TDLS 假设，我们的发射光为脉冲光，进入气体腔之后，当打开激光的时候，输入光在反射镜上来回反射，有些光会被 PD 探测到；当关掉激光， PD 探测到的光功率随时间下降的很慢。假设，相关气体存在于气体腔内，将会对光功率进行吸收，那么光功率会下降的非常快。气体吸收越强，光功率下降就会加速，从此可以推断气体的浓度。因为反射镜使光程达到了数公里，使得该方法是最灵敏的方法。原理图如下： CRDS (CavityRing-Down Spectroscopy)原理： Fig. 5 Principle of CRDS 因为光要在气体腔内来回振荡，所以需要 LD 的线宽尽可能的窄 气体敏感波长如下： Molecule Mid-Infrared Near-Infrared Typical usage (ppb) lambda (nm) (ppb) lambda (nm) Water H20 2.0 5940 60 1390 Process Control carbon dioxide CO2 0.13 4230 3000 1960 Combustion system，Coal mine. Oxygen deficiency protection， Smogcontrol. carbon monoxide CO 0.75 4600 30000 1570 500 2330 nitric oxide NO 5.8 5250 60000 1800 全 1000 2650 nitrogen dioxide NO2 3.0 6140 340 680 nitrous oxide N2O 0.44 4470 1000 2260 sulfur dioxide SO2 14 7280 methane CH4 1.7 3260 600 1650 Extraction of naturalgas & pipeline acetylene C2H2 3.5 7400 80 1520 hydrogen fluoride HF 业 10 1310 Process Control hydrogen chloride HCI 0.83 3400 150 1790 Refinery hydrogen bromide HBr 7.2 3820 600 1960 hydrogen iodide HI 2100 1540 hydrogen cyanide HCN 12 6910 290 1540 Process Control hydrogen sulfide H2S 20000 1570 ozone 03 11 9500 air pollution measurement ammonia NH3 0.8 10300 800 1500 Cold storageFood manufacturing， processing and preservation Beverage productionIce rinks formaldehyde H2CO 8.4 3550 50000 1930 Process Control phosphine PH3 6.2 10100 1000 2150 oxygen 02 知 78000 760 Oxygen deficiencyprotection 这些是基本原理，在实际操作中会复杂很多。下面是操作结构图之一： 注：每个客户都有自己的实验原理，该原理图只是一种做法，不能代表所有。 针对该结构图，东隆主要可以提供：激光器、激光器驱动、探测器和锁相放大器。 首先激光器部分，我们采用的是 ILX Lightwave 的驱动源再配上 NEL 的激光器。 驱动源大家很熟悉了，，下面简单的介绍一下 NEL 的产品。 NEL 的产品主要涵盖的波长VS气体信息如下： 封装形式为： 相关型号和波长如下： CW-DFB-LD (Telecomm. Wavelength) Wavelength Power 10 mW 20 mW O-band 1260-1360 nm NLK1B5EAAA NLK1B5GAAA E-band 1360-1460 nm NLK1E5EAAA NLK1E5GAAA S-band 1460-1530 nm NLK1S5EAAA NLK1S5GAAA C-band 1530-1565 nm NLK1C5EAAA NLK1C5GAAA L-band 1565-1625 nm NLK1L5EAAA NLK1L5GAAA U-band 1625-1675 nm NLK1U5EAAA (NLK1U5FAAA)(15mW) Wavelength Power TO-Can 14-pin BF 1735-1780 nm KELD1F5C2TA(10mW) KELD1F5DAAA(5mW) 1865-1890 nm KELD1G5B2TA(5mW) KELD1G5BAAA(2mW) 1995-2015 nm KELD1G5B2TA(5mW) KELD1G5BAAA(2mW) near 2050 nm KELD1G5A4TA-2050(5mW) KELD1G5BAAA(2050)(2mW) near 2100 nm KELD1G5A4TA-2100(5mW) KELD1G5BAAA(2100)(2 mW) near 2330 nm Coming soon! NEL 的命名规则如下，大家可以通过型号直接反应出该激光器的特性： 14-PIN蝶形激光器的命名规则如下： NLK①②③④⑤⑥⑦or KELD NLK Commercial Produts to pass reliability test KELD Engineering Sample with no guarantee for reliability ① LD Type 1： conventional LD 3： EML， 5： DML ② Wavelength B： 1260-1360 nm(O-band) E： 1360-1460 nm (E-band) S： 1460-1530 nm(S-band) C： 1530-1565 nm (C-band) L： 1565-1625 nm (L-band) U： 1625-1705 nm F： 1705-1800 nm G： 1800 nm ~ Application 5： DFB-LD， 6： Narrow Linewidth DFB-LD (when ①=1) Characteristics B：~2mW，D：~5mW，E：~10mW，G：~20mW， H： ~30mW，J：~40mW (when ①=1 and ③=5) B： <500kHz， D：<100kHz (when ①=1 and ③=6) ⑤⑥⑦ Package AAA： Standard 14-pin BF PKG TO-Can 的命名规则如下： NLK①②③ ⑥⑦ or KELDJ NLK Commercial Produts to pass reliability test KELD Engineering Sample with no guarantee for reliability ① LD Type 1： conventional LD 3： EML， 5： DML ② Wavelength B： 1260-1360 nm (O-band)E： 1360-1460nmn((E-band) S： 1460-1530 nm ((S-band) C： 1530-1565 nm ((C-band) L： 1565-1625 nm (L-band) U： 1625-1705 nm F： 1705-1800 nm G： 1800 nm~ ③ Application 5： DFB-LD， 6： Narrow Linewidth DFB-LD (when①=1) ④ Characteristics A： Special， B：~5mW，C： ~10mW，D：~20mW，E：~30mW，F：~40mW，G：~50mW (when ①=1 and ③=5) B： <500kHz， D：<100kHz (when ①=1 and③=6) 56⑦ Package 1TA， 2TA， 4TA： See Diagram 锁相放大器，我们提供的是 FEMTO的产品，在实验初级阶段，我们建议客户购买 Femto 的设备： Dual Phase Lock-In-Amplifier Module Lock-In-Amplifier Module 922-2 ： 具备一定能力之后，可以推荐如下锁相放大器： Lock-In-Amplifier Module Single-BoardDual Phase Lock-In-Amplifier 锁相放大器选择主要依据 对于探测器，我们一般提供的产品如下： 特点： 带前置放大 差分输出 +3.3V和+5V工作电压 温度特性好 TO46封装 应用： 光纤通信 仪器仪表 性能： 参数 符号 测试条件 最小值 典型值 最大值 单位 灵敏度 Sens BER=10"@155M -38 -36 dBm 饱和光功率 P 入=1310nm - -3 - dBm 工作波长 - 1100 - 1650 nm 带宽 BW 120 150 - MHz 增益 G 入=1310nm 0.17 220 V/mW 电源 Vcc - 3.0 - 5.5 V 差分输出电压 Vd - - 1 - V 输出电阻 Rout - 50 65 ohm 特点： 响应度高 暗电流小 线性度高 稳定性高 TO46或插拔式封装 应用： 光纤通信 仪器仪表 性能： 参数 符号 测试条件 最小值 典型值 最大值 单位 响应度@1310nm R VR=-5V 0.8 0.85 - A/W 暗电流 Id Vg=-5V - 10 nA 工作波长 - 800 - 1700 nm 线性范围 LR VR=-5V -65 - 3 dBm 光敏面直径 - - 1000 - um 响应时间 Tr/Tf VR=-5V 10 - ns 结电容 C VR=-5V 100 150 pf 如果探测要求太高，建议采用滨松的探测器，建议客户自己购买。 我们气体探测的原理是 TDLS（Tunable Diode Laser Spectorscopy）,详细可查阅附件。