TDLAS半导体激光光源测氨气浓度(NH3)

TDLAS测氨气浓度 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 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。 理论基础 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 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 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 气体在选定的谱线处要有较强的吸收峰， 谱线波长对应的激光器光源技术要相对成熟 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 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 调谐曲线 2，TDLADS激光气体检测综合控制盒 长光程吸收池（20m） 示波器 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 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 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 1513.8nm二次谐波波形及调整参数 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。 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                                            调谐曲线   2，TDLADS激光气体检测综合控制盒          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 波长能量波速1512.2352.26E-21  6612.72581512.2471.05E-216612.67251513.8653.36E-216605.60881513.983.31E-216605.10421513.8553.15E-216605.65181514.0672.38E-216604.72751513.8771.58E-216605.5561511.3421.07E-216616.63291511.2811.07E-216616.9021 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 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14，DAC OUT 接入示波器通道22，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   1513.8nm二次谐波波形及调整参数                          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。