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TDLAS半導(dǎo)體激光光源測(cè)氨氣濃度(NH3) - 筱曉光子試驗(yàn)小分享①

更新時(shí)間:2021-11-26      點(diǎn)擊次數(shù):2081

TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy )

它是利用激光器波長(zhǎng)調(diào)制通過被測(cè)氣體的特征吸收區(qū),在二極管激光器與長(zhǎng)光程吸收池相結(jié)合的基礎(chǔ)上,發(fā)展起來的新的氣體檢測(cè)方法。


TDLAS技術(shù)采用的半導(dǎo)體激光光源的光譜,寬度遠(yuǎn)小于氣體吸收譜線的展寬,得到單線吸收光譜,因此TDLAS技術(shù)是一種高分辨率吸收光譜技術(shù)。



一、氨氣


NH3,是一種易具有刺激性氣味,無色有毒,比空氣輕,弱堿性,沸點(diǎn)較低,極易溶于水,易液化的氣體。在高溫時(shí)會(huì)分解成氮?dú)夂蜌錃?,有還原作用??捎傻蜌渲苯雍铣啥频?。在工業(yè)中常被用來制液氮、銨鹽、氨水、硝酸和胺類等。




二、理論基礎(chǔ)


  1,比爾-朗伯定律  


一束激光穿過濃度為C的被測(cè)氣體時(shí),當(dāng)激光器的波長(zhǎng)和被測(cè)氣體某個(gè)吸收譜線中心頻率相同時(shí),氣體分子會(huì)吸收光子而躍遷到高能級(jí),表現(xiàn)為氣體吸收波段激光光強(qiáng)的衰減。




  2,波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)  


A)激光器的調(diào)諧特性

DFB激光器——由于具有良好的單色性,窄線寬特性和頻率調(diào)諧特性,DFB激光器能夠很好的避免其他背景氣體的交叉干擾,使檢測(cè)系統(tǒng)具有較好的測(cè)量精度,因此被廣泛的用于氣體檢測(cè)。


B)諧波檢測(cè)理論

   通過對(duì)激光器的驅(qū)動(dòng)電壓加高頻正弦電壓信號(hào),從而改變電流,使輸出頻率也按正弦規(guī)律變化。通過給激光器驅(qū)動(dòng)加鋸齒波電壓,使其輸出波長(zhǎng)在氣體吸收峰兩側(cè)掃描,利用鎖相放大器調(diào)制并解調(diào)出諧波信號(hào),進(jìn)行氣體濃度的測(cè)量。




  3,吸收譜線選取的原則  


在進(jìn)行氣體檢測(cè)是,對(duì)吸收譜線的選取非常關(guān)鍵,應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面:

1)氣體在選定的譜線處要有較強(qiáng)的吸收峰;

2)譜線波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的激光器光源技術(shù)要相對(duì)成熟;

在選定的吸收譜線處沒有背景氣體吸收的干擾,或吸收相對(duì)較弱,可以忽略。




三、實(shí)驗(yàn)儀器


  1,1512 DFB激光器  

特點(diǎn):波長(zhǎng)穩(wěn)定性好,窄線寬,單縱??烧{(diào)諧,14引腳封裝。



微信圖片_20210701115152.png



    光譜圖    



微信圖片_20210701115222.jpg






   調(diào)諧曲線   





  2,TDLADS激光氣體檢測(cè)綜合控制盒 





本產(chǎn)品是一款用于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收譜技術(shù)(可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收譜技術(shù)(TDLAS))的控制模塊。主要功能包括:產(chǎn)生正弦波與三角疊加的數(shù)字激光驅(qū)動(dòng)、可調(diào)增益、可調(diào)增益放大器、1f/2f 數(shù)字鎖相放大器、模擬輸出溫控單元、數(shù)字鎖相放大器、模擬輸出溫控單元、數(shù)字鎖相放大器、模擬輸出溫控單元 。運(yùn)行參數(shù)及波形均可由電腦端控制和讀取。





  3,長(zhǎng)光程吸收池(20m)

  4,示波器  

  5,電壓轉(zhuǎn)換模塊  


四,吸收波長(zhǎng)選取

根據(jù)1512nmDFB 調(diào)諧范圍,我們可以通過查詢Hitran數(shù)據(jù)庫(kù)。








得到在1513.8nm附近有*吸收峰,且沒有其他氣體的干擾。實(shí)驗(yàn)中我們可以測(cè)試1513.8nm處的二次諧波幅值和1512nm處的二次諧波幅值作為對(duì)比。






五,實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程及結(jié)果






  1,如上圖所示:


1)LASER  OUT連接光程池輸入端;

2)光程池輸出端經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換模塊接入PREAMP;

3)TRIG OUT接入示波器通道1;

4)DAC OUT 接入示波器通道2。


  2,過程分析:


激光器發(fā)出的光經(jīng)過氣體吸收池,通過電壓轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)入PREAMP端前置放大電路,再經(jīng)過鎖相放大器調(diào)制解調(diào),通過DAC OUT 模擬輸出端到示波器通道2,顯示二次諧波的信號(hào)。整個(gè)過程中,我們通過調(diào)節(jié)軟件中的各項(xiàng)參數(shù),同時(shí)觀察輸出波形,使輸出波形*。


  3,實(shí)驗(yàn)結(jié)果:


1512nm二次諧波波形及調(diào)整參數(shù):





  結(jié)論:





由此我們看出,吸收峰值越高,二次諧波幅值越大,因此探測(cè)濃度的下限越低,探測(cè)精度越高。