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中红外TDLAS CO/CO2(一氧化碳/二氧化碳) ppb级浓度分析系统 筱晓上海光子
2021/11/16 13:21
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方案摘要：
产品配置单：
Nanoplus 2004nm DFB可调谐CO2检测激光器
型号： mp-2004
产地： 德国
品牌：
¥3万
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方案详情：
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。
二二氧化碳（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。
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