筱曉光子 中紅外TDLAS CO/CO2(一氧化碳/二氧化碳) ppb濃度分析系統(tǒng)
原理描述:
TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy )它是利用激光器波長調(diào)制通過被測氣體的特征吸收區(qū),在二管激光器與長光程吸收池相結(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)
一一氧化碳: CO,氧化碳(carbon monoxide),一種碳氧化合物,通常狀況下為是無色、無臭、無味的氣體?;瘜W(xué)性質(zhì)上,一氧化碳既有還原性,又有氧化性,能發(fā)生氧化反應(yīng)(燃燒反應(yīng))、歧化反應(yīng)等;同時具有毒性,較高濃度時能使人出現(xiàn)不同程度中毒癥狀,危害人體的腦、心、肝、腎、肺及其他組織,甚至電擊樣死亡,人吸入低致死濃度為5000 ppm(5分鐘)。工業(yè)上,一氧化碳是一碳化學(xué)的基礎(chǔ),可由焦炭氧氣法等方法制得,主要用于生產(chǎn)甲醇以及有機合成等。
二二氧化碳(carbon dioxide),一種碳氧化合物,化學(xué)式為CO2,化學(xué)式量為44.0095 [1] ,常溫常壓下是一種無色無味 [2] 或無色無臭而其水溶液略有酸味 [3] 的氣體,也是一種常見的溫室氣體 [4] ,還是空氣的組分(占大氣總體積的0.03%-0.04% [5] )。
理論基礎(chǔ)
1、比爾-朗伯定律
一束激光穿過濃度為C的被測氣體時,當(dāng)激光器的波長和被測氣體某個吸收譜線中心頻率相同時,氣體分子會吸收光子而躍遷到高能,表現(xiàn)為氣體吸收波段激光光強的衰減
2、波長調(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,使檢測系統(tǒng)具有較好的測量精度,因此被廣泛的用于氣體檢測
B) 諧波檢測理論
通過對激光器的驅(qū)動電壓加高頻正弦電壓信號,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)動加鋸齒波電壓,使其輸出波長在氣體吸收峰兩側(cè)掃描,利用鎖相放大器調(diào)制并解調(diào)出諧波信號,進行氣體濃度的測量。
3、吸收譜線選取的原則
在進行氣體檢測是,對吸收譜線的選取非常關(guān)鍵,應(yīng)考慮以下幾個方面
(1)氣體在選定的譜線處要有較強的吸收峰,
(2)譜線波長對應(yīng)的激光器光源技術(shù)要相對成熟
(3)在選定的吸收譜線處沒有背景氣體吸收的干擾,或吸收相對較弱,可以忽略
實驗儀器
1、2327/2004nm DFB激光器
特點:波長穩(wěn)定性好,窄線寬,單縱??烧{(diào)諧,14引腳封裝
2004nm光譜圖
2004nm 調(diào)諧曲線
2327nm光譜圖
2327nm 調(diào)諧曲線
2、TDLADS激光qi體檢測綜合控制盒
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、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 。運行參數(shù)及波形均可由電腦端控制和讀取。
3、長光程吸收池(20m)
4、示波器
5、電壓轉(zhuǎn)換模塊
吸收波長選取
根據(jù)2327/2004nm DFB激光器 調(diào)諧范圍,我們可以通過查詢Hitran數(shù)據(jù)庫
得到在2327/2004nm DFB激光器附近有強吸收峰,且沒有其他氣體的干擾。實驗中我們可以測試不同峰值處的二次諧波幅值作為對比。
空間光對穿演示
實驗測試過程及結(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)換模塊進入PREAMP端置放大電路,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。整個過程中,我們通過調(diào)節(jié)軟件中的各項參數(shù),同時觀察輸出波形,使輸出波形優(yōu)。
3,實驗結(jié)果:
以CO為列,我們先用三角波掃描沒有CO的氣室得到如下型號,在通入氣體選取合適的吸收線把信號送入鎖相進行解調(diào)。
圖一;沒有通氣體的掃描三角波信號
圖二;通入100ppm CO后的直接吸收信號
2004nm二次諧波波形及調(diào)整參數(shù)
2327nm二次諧波波形及調(diào)整參數(shù)
4,實驗結(jié)論:
由此我們看出,吸收峰值越高,二次諧波幅值越大,因此探測濃度的下限越低,探測精度越高。在實際探測CO/CO2濃度時,我們選取中心波長2004/2327nm來進行標(biāo)定。調(diào)制參數(shù)不變,通過二次諧波的幅值來計算氣體濃度。
更新時間:2023/5/24 17:35:26