TDLAS分析系统SO2 7.4um及CO/CO2 2004/2327nm及N2O 4.56um

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。
一氧化二氮：又称笑气，是一种无机物，化学式N2O，是一种危险化学品，呈无色有甜味气体，是一种氧化剂，在一定条件下能支持燃烧，但在室温下稳定，有轻微麻醉作用，并能致人发笑。笑气进入血液后会导致人体缺氧，长期吸食可能引起高血压、晕厥，甚至心脏病发作。此外，长期接触此类气体还可引起贫血以及中枢神经系统损害等。

实验仪器:

1、4.56um高功率台式DFB-QCL量子级联激光器

2、2-15um碲镉汞（MCT）中红外光电探测器，带放大，带TEC

3、中红外5米光程简波宽带气室   

一、原理描述

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。
一氧化二氮：又称笑气，是一种无机物，化学式N2O，是一种危险化学品，呈无色有甜味气体，是一种氧化剂，在一定条件下能支持燃烧，但在室温下稳定，有轻微麻醉作用，并能致人发笑。笑气进入血液后会导致人体缺氧，长期吸食可能引起高血压、晕厥，甚至心脏病发作。此外，长期接触此类气体还可引起贫血以及中枢神经系统损害等。

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。

三、实验仪器

1、4.56um高功率台式DFB-QCL量子级联激光器

4.56um高功率台式DFB-QCL量子级联激光器是上海筱晓光子开发的可调谐连续光激光器，波长调谐范围可达30nm，准直输出功率高达180mW，能够满足气体传感分析测试、中红外测试光源等条件。台式DFB-QCL激光器模块内部集成了数字激光驱动、可调增益放大器、1f/2f数字锁相放大器、模拟输出温控单元，并可通过软件控制调谐激光器的温度和工作电流。我们的激光器准直输出功率稳定，波长稳定性好，是中红外高功率优秀测试光源。

 光谱图 

 波长调谐曲线 

2、2-15um碲镉汞（MCT）中红外光电探测器，带放大，带TEC

MCT-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Min化。为了获得好的效果，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，因为它们只对强度变化而不是强度的jue对值敏感。

3、中红外5米光程简波宽带气室   

LD-PD简波宽带气室主要针对红外傅里叶等光谱技术应用。气室结构采用简波气室结构，探测光为中远红外非相干光源，针对高温和耐腐蚀需要，以方便被测气体的测量，开发了主体和光学组件均采用经过防腐蚀处理的特殊金属材料，可以在湿热腐蚀气体条件下长期稳定可靠工作，对包括SO2、NOx、VOCS、NH3、O2、CO、CO2、HCL、H2O等主要气体成分做精确的测量和分析，在包括主要大气污染物监测、燃烧煤烟气排放监控、垃圾焚烧排放监控、化工园区污染物监测以及工业在线控制等领域有广泛应用前景。

四、实验测试

本次实验使用4.56um高功率台式DFB-QCL量子级联激光器结合MCT中红外光电探测器测试中红外5米光程简波宽带气室中的N2O气体（1000ppm）。

 系统示意图 

操作步骤：

1、 安装4.56um QCL激光器，准直输出到中红外5米光程简波宽带气室；  

 2、 中红外5米光程简波宽带气室另一端放置MCT探测器；

3、 将MCT探测器BNC输出端接到4.56um QCL激光器的PREAMP前置放大端；

4、 用一根SMA-BNC线连接示波器和4.56um QCL激光器的DACOUT模拟输出端；

5、 用一根SMA-BNC线连接示波器和4.56um 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。

五、实验结果

1、二次谐波波形及调制参数如下：

 二次谐波 

 软件参数设置 

2、验证分析：

通过查询Hitran数据库得到在波数为2188.8cm-1到2189.8cm-1范围内的吸收谱线如下：

二,中红外TDLAS (二氧化硫) SO2 ppm级浓度分析系统 7.4um

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。

二氧化硫是常见、简单、有刺激性的硫氧化物，化学式SO2，无色气体，大气主要污染物之一。二氧化硫为无色透明气体，有刺激性臭味。 溶于水、乙醇和乙醚。

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，波长调制技术

是对波长的高频调制并利用谐波检测技术通过锁相放大器获得吸收光谱的谐波信号，根据谐波信号的峰值检测气体的浓度。

波长调制技术的关键是激光器的调谐波段的确定以及波长调谐特性，激光器的特性直接可以决定检测气体的种类以及检测系统的精度和应用领域。

3，谐波检测理论

谐波信号的获取是利用锁相放大器实现的，锁相放大器最核心的功能是对交变信号进行相敏检波，激光器由于受到高频正弦调制，光束携带有正弦调制信号的频率信息，由于二次谐波线型峰值在谱线的中心，关于谱线中心是对称的。同时，在偶次谐波中，二次谐波谱线强度最强，最容易获取，因此选用二次谐波来检测气体。

实验仪器介绍

1, 7.4umQCL 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优秀的测试光源。

光谱图

波长温度电流调谐曲线

2，中红外5米光程简波宽带气室

LD-PD简波宽带气室主要针对红外傅里叶等光谱技术应用。气室结构采用简波气室结构，探测光为中远红外非相干光源，针对高温和耐腐蚀需要，以方便被测气体的测量，开发了主体和光学组件均采用经过防腐蚀处理的特殊金属材料，可以在湿热腐蚀气体条件下长期稳定可靠工作，对包括SO2,NOX，VOCS,NH3,O2,CO,CO2,HCL,H2O等主要气体成分做精确的测量和分析。

3，碲镉汞(MCT)中红外光电探测器

MCT-12-0TE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12μm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。

实验室测试

操作步骤：

1）中红外量子级联激光器插上电源线，USB线连接电脑主机；MCT探测器连接电源线

2）MCT探测器的输出线连接量子级联激光器的PREAMP前置放大端口

3）量子级联激光器的TRIGGER触发端口连接示波器CH1，DAC OUT二次谐波输出端口连接示波器CH2

4）激光器的输出窗口对准简波气室的输入窗口，简波气室的输出端口对准MCT探测器

5）简波气室内充入一定200ppm浓度的SO2气体

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。

测试结果：

1，二次谐波波形及调制参数如下：

二次谐波

                               调制参数

2，验证分析：

为了验证测试信号为SO2气体，我们使用波长计测试了温度为30℃，扫描电流在187.4mA和223.2mA这两个点对应的波长为分别为7390.9559nm和7397.3968nm

                        30deg,187.4mA对应光谱图

                           30deg，223.2mA对应光谱图

通过查询Hitran数据库得到在波长在7390.9559nm和7397.3968nm范围内的SO2吸收谱线如下：

我们通过对比二次谐波幅值信息和数据库，发现和数据库相符合，由此验证是SO2气体。

实验结论

通过测试，我们发现SO2浓度为200ppm时，二次谐波幅值可达1.8V ,由此可以说明我们的中红外TDLAS分析系统，测试精度高，测试效果好。

订购信息

产品型号：TDLAS-7400-SO2-MIR 

产品名称：近红外TDLAS SO2 ppm级浓度分析系统

产品清单：

二,中红外TDLAS CO/CO2(一氧化碳/二氧化碳) ppb级浓度分析系统 2004/2327nm

原理描述：

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

1、一氧化碳： CO，氧化碳（carbon monoxide），一种碳氧化合物，通常状况下为是无色、无臭、无味的气体。化学性质上，一氧化碳既有还原性，又有氧化性，能发生氧化反应（燃烧反应）、歧化反应等；同时具有毒性，较高浓度时能使人出现不同程度中毒症状，危害人体的脑、心、肝、肾、肺及其他组织，甚至电击样死亡，人吸入最低致死浓度为5000 ppm（5分钟）。工业上，一氧化碳是一碳化学的基础，可由焦炭氧气法等方法制得，主要用于生产甲醇和光气以及有机合成等。

2、二氧化碳（carbon dioxide），一种碳氧化合物，化学式为CO2，化学式量为44.0095 [1]  ，常温常压下是一种无色无味 [2]  或无色无臭而其水溶液略有酸味 [3]  的气体，也是一种常见的温室气体 [4]  ，还是空气的组分之一（占大气总体积的0.03%-0.04% [5]  ）。

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

实验仪器

1、2004nm/2327 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

2004nm光谱图  

2004nm 调谐曲线

2327nm光谱图  

2327nm 调谐曲线

2、TDLADS激光气体检测综合控制盒

本产品是一款用于可调谐半导体激光吸收谱技术（可调谐半导体激光吸收谱技术（TDLAS））的控制模块。主要功能包括：产生正弦波与三角叠加的数字激光驱动、可调增益、可调增益放大器、1f/2f 数字锁相放大器、模拟输出温控单元、数字锁相放大器、模拟输出温控单元、数字锁相放大器、模拟输出温控单元 。运行参数及波形均可由电脑端控制和读取。

3、长光程吸收池（20m）

4、示波器

5、电压转换模块

吸收波长选取

根据2004nm/2327nmDFB 调谐范围，我们可以通过查询Hitran数据库

得到在2004/2327nm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不同峰值处的二次谐波幅值作为对比。

空间光对穿演示

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：

以CO为列，我们先用三角波扫描没有CO的气室得到如下型号，在通入气体选取合适的吸收线把信号送入锁相进行解调。

图一；没有通气体的扫描三角波信号

图二；通入100ppm CO后的直接吸收信号

2004nm二次谐波波形及调整参数

2327nm二次谐波波形及调整参数

4，实验结论：

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CO/CO2浓度时，我们选取中心波长2004/2327nm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。

产品型号：TDLAS-2327/2004-MIR  

产品名称：中红外TDLAS CO/C02 ppb级浓度分析系统

产品清单：