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TDLAS测氨气浓度
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。在工业中常被用来于制液氮、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
(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
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
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
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
波长 |
能量 |
波速 |
1512.235 |
2.26E-21 |
6612.7258 |
1512.247 |
1.05E-21 |
6612.6725 |
1513.865 |
3.36E-21 |
6605.6088 |
1513.98 |
3.31E-21 |
6605.1042 |
1513.855 |
3.15E-21 |
6605.6518 |
1514.067 |
2.38E-21 |
6604.7275 |
1513.877 |
1.58E-21 |
6605.556 |
1511.342 |
1.07E-21 |
6616.6329 |
1511.281 |
1.07E-21 |
6616.9021 |
得到在1513.8nm附近有zui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
1,如上图所示,
a,LASER OUT连接光程池输入端
b,光程池输出端经过电压转换模块接入PREAMP
c,TRIG OUT接入示波器通道1
d,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zui优。
3,实验结果:
1512nm二次谐波波形及调整参数
1513.8nm二次谐波波形及调整参数
4,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。
在实际探测氨气浓度时,我们选取中心波长1513.8nm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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