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近红外TDLAS CH4(甲烷)ppb级浓度分析系统 1653.73nm
2021/11/11 10:27
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方案摘要：
方案详情：
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。
甲烷：CH4，俗称瓦斯，在自然界中广泛分布，是天然气、沼气、坑气等的主要成分，在标准压力的室温环境中，甲烷无色、无味。它可用来作为燃料以及制造氢气、炭黑、一氧化碳、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的原料。甲烷对人基本无毒，但浓度过高时，使空气中氧含量明显降低，使人窒息。
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
实验仪器
1、1653.74nm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、TDLAS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：产生正弦波与三角波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。运行参数及波形均可由电脑端控制和读取。
3、10米光程超小气体吸收池
10 米光进电出气体吸收池应用于多种气体光谱分析检测。气室的光路结构使用自主专利设计、具有优良光学稳定性的扁波气室（SlimBoss Gas Cell），辅助与高稳定性的光学封装结构，主要由气室腔体、反射镜、标准光纤接头、气体进出口以及防震底座等组成。独特的悬浮光路设计，具有优异的震动和温度稳定性，可以在各种复杂的环境中稳定工作，非常适合各种气体在线实时检测。具备低系统噪声，可应用于痕量气体分析。
实验测试：
操作步骤：
1、 TDLAS激光气体分析综合控制盒连接电源和usb线
2、 10米光程超小气体吸收池的光纤输入端连接控制盒的LASER OUT激光输出端，另一端连接探测器的输入端
3、 用一根SMA-BNC线连接探测器和TDLAS激光气体分析综合控制盒的PREAMP前置放大端
4、 用一根BNC-BNC线连接示波器和TDLAS激光气体分析综合控制盒的DACOUT模拟输出端
5、 用一根BNC-BNC线连接示波器和TDLAS激光气体分析综合控制盒的TRIG OUT触发端
6、 打开激光器，连接探测器电源
7、 向气室中通入10ppm的CH4，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。
测试结果
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6046cm-1到6048cm-1范围内的吸收谱线如下：
吸收峰波长约为1653.73nm，通过对比二次谐波幅值信息，与数据库相符合，由此验证是CH4气体。
3、实验结论：
通过测试，我们发现CH4浓度为10ppm时，二次谐波幅值可达300mV，由此可以说明我们的TDLAS分析系统，测试精度极高，可达ppb量级。
订购信息
产品型号：TDLAS-1653.7-CH4
产品名称：近红外TDLAS CH4 ppb级浓度分析系统
产品清单：
# | 名称 | 描述 | 数量 |
1 | TDLAS激光气体分析综合控制盒 | 该主机含激光驱动，锁相放大，数据采集功能 | 1 |
2 | 1653.7nm DFB激光器 | 2nm可调，输出功率20mW，线宽<2MHz，14引脚蝶形封装，兼容控制器 | 1 |
3 | 10米光程超小气体吸收池 | 有效光程10m，波长范围1500-1700nm，输入最大光功率2mW，插入损耗≤2dB，输出类型PD | 1 |
4 | U盘 | 含操作软件，产品操作手册 | 1 |
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