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TDLAS半导体激光光源测氨气浓度(NH3) - 筱晓光子试验小分享①
2021-07-01

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、氨气

NH3,是一种易具有刺激性气味,无色有毒,比空气轻,弱碱性,沸点较低,极易溶于水,易液化的气体。在高温时会分解成氮气和氢气,有还原作用。可由氮和氢直接合成而制得。在工业中常被用来制液氮、氨水、硝酸、铵盐和胺类等。



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;

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


  1,1512 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。


微信图片_20210701115152.png


    光谱图    


微信图片_20210701115222.jpg





   调谐曲线   



  2,TDLADS激光气体检测综合控制盒 


微信图片_20210701115244.jpg


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  


四,吸收波长选取

根据1512nmDFB 调谐范围,我们可以通过查询Hitran数据库。




微信图片_20210701115323.png


微信图片_20210701115342.jpg



得到在1513.8nm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1513.8nm处的二次谐波幅值和1512nm处的二次谐波幅值作为对比。





五,实验测试过程及结果




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  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:


1512nm二次谐波波形及调整参数:

微信图片_20210701115440.jpg


微信图片_20210701115516.jpg



  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。