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                中紅外TDLAS N2O ppm級濃度分析系統 - 筱曉光子實驗分析? 2022-02-09

                一、原理描述


                TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)它是利用激光器波長調制通過被測氣體的特征吸收區,在二極管激光器與長光程吸收池相結合的基礎上,發展起來的新的氣體檢測方法。
                TDLAS技術采用的半導體激光光源的光譜,寬度遠小于氣體吸收譜線的展寬,得到單線吸收光譜,因此TDLAS技術是一種高分辨率吸收光譜技術。
                一氧化二氮:又稱笑氣,是一種無機物,化學式N2O,是一種危險化學品,呈無色有甜味氣體,是一種氧化劑,在一定條件下能支持燃燒,但在室溫下穩定,有輕微麻醉作用,并能致人發笑。笑氣進入血液后會導致人體缺氧,長期吸食可能引起高血壓、暈厥,甚至心臟病發作。此外,長期接觸此類氣體還可引起貧血以及中樞神經系統損害等。

                二、理論基礎


                1、比爾-朗伯定律 一束激光穿過濃度為C的被測氣體時,當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級,表現為氣體吸收波段激光光強的衰減。
                2、波長調制光譜技術 A) 激光器的調諧特性 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律變化。通過給激光器驅動加鋸齒波電壓,使其輸出波長在氣體吸收峰兩側掃描,利用鎖相放大器調制并解調出諧波信號,進行氣體濃度的測量。
                3、吸收譜線選取的原則 在進行氣體檢測時,對吸收譜線的選取非常關鍵,應考慮以下幾個方面: (1)氣體在選定的譜線處要有較強的吸收峰; (2)譜線波長對應的激光器光源技術要相對成熟; (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。

                三、實驗儀器


                1、4.56um高功率臺式DFB-QCL量子級聯激光器


                4.56um高功率臺式DFB-QCL量子級聯激光器是上海筱曉光子開發的可調諧連續光激光器,波長調諧范圍可達30nm,準直輸出功率高達180mW,能夠滿足氣體傳感分析測試、中紅外測試光源等條件。臺式DFB-QCL激光器模塊內部集成了數字激光驅動、可調增益放大器、1f/2f數字鎖相放大器、模擬輸出溫控單元,并可通過軟件控制調諧激光器的溫度和工作電流。我們的激光器準直輸出功率穩定,波長穩定性好,是中紅外高功率優秀測試光源。






                 光譜圖 







                 波長調諧曲線 




                2、2-15um碲鎘汞(MCT)中紅外光電探測器,帶放大,帶TEC




                MCT-15-4TE放大探測器是一種熱電冷卻光電導HgCdTe(碲鎘汞,MCT)探測器。這種材料對2.0到15 μm的中紅外光譜波段光波敏感。半導體制冷片(TEC)采用一個熱敏電阻反饋電路對探測器元件的溫度控制在-30 °C,從而將熱變化對輸出信號的影響最小化。為了獲得最佳效果,我們推薦將輸出電纜(不附帶)與一個50歐姆的終端連接。由于探測器是AC偶合的,因此它需要一個脈沖或斬波輸入信號。交流耦合探測器不會看到未斬波的直流信號,因為它們只對強度變化而不是強度的絕對值敏感。


                3、中紅外5米光程簡波寬帶氣室   

                 


                LD-PD簡波寬帶氣室主要針對紅外傅里葉等光譜技術應用。氣室結構采用簡波氣室結構,探測光為中遠紅外非相干光源,針對高溫和耐腐蝕需要,以方便被測氣體的測量,開發了主體和光學組件均采用經過防腐蝕處理的特殊金屬材料,可以在濕熱腐蝕氣體條件下長期穩定可靠工作,對包括SO2、NOx、VOCS、NH3、O2、CO、CO2、HCL、H2O等主要氣體成分做精確的測量和分析,在包括主要大氣污染物監測、燃燒煤煙氣排放監控、垃圾焚燒排放監控、化工園區污染物監測以及工業在線控制等領域有廣泛應用前景。



                四、實驗測試


                本次實驗使用4.56um高功率臺式DFB-QCL量子級聯激光器結合MCT中紅外光電探測器測試中紅外5米光程簡波寬帶氣室中的N2O氣體(1000ppm)。

                 


                 系統示意圖 


                操作步驟:

                1、 安裝4.56um QCL激光器,準直輸出到中紅外5米光程簡波寬帶氣室;  

                 2、 中紅外5米光程簡波寬帶氣室另一端放置MCT探測器;

                3、 將MCT探測器BNC輸出端接到4.56um QCL激光器的PREAMP前置放大端;

                4、 用一根SMA-BNC線連接示波器和4.56um QCL激光器的DACOUT模擬輸出端;

                5、 用一根SMA-BNC線連接示波器和4.56um QCL激光器的TRIG OUT觸發端;

                6、 打開激光器和探測器;

                7、 調節軟件參數,在示波器上觀察二次諧波信號波形、幅值等信息。

                過程分析:

                利用電腦端的控制軟件調節電流和溫度的大小對波長進行調諧,使激光器實現一定波長范圍的掃描,使輸出波長覆蓋氣體的吸收峰,鎖相放大器提供高頻正弦調制信號,使激光器輸出頻率得到正弦調制,激光器發出的光經過氣體吸收池,通過探測器進入PREAMP端前置放大電路,再經過鎖相放大器調制解調,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,我們通過調節軟件中的各項參數,同時觀察輸出波形,使輸出波形最優。



                五、實驗結果


                1、二次諧波波形及調制參數如下:




                 二次諧波 







                 軟件參數設置 


                2、驗證分析:


                通過查詢Hitran數據庫得到在波數為2188.8cm-1到2189.8cm-1范圍內的吸收譜線如下:












                吸收峰中心波長約為4.5677um,通過對比二次諧波幅值信息,與數據庫相符合,由此驗證是N2O氣體。


                3、實驗結論:


                通過測試,我們發現N2O濃度為1000ppm時,二次諧波幅值可達992mV,由此可以說明我們的TDLAS N2O分析系統,測試精度很高,可ppm量級。



                六、訂購信息


                產品型號:TDLAS-4560-N2O 產品名稱:近紅外TDLAS N2O ppm級濃度分析系統 產品清單:

                #
                名稱描述
                網址
                1
                4.56um中紅外量子級聯激光器峰值工作波長4.56um,輸出功率150mW,光譜寬度<1MHz,輸出隔離度40dB,臺式規格尺寸340(L)x240(W)x100(H)mmhttp://m.zgllyspt.com/?a=cp3&id=557
                2
                中紅外5米光程簡波寬帶氣室有效光程5m,波長范圍2-12um,輸入最大光功率500mW,插入損耗≤5dB,材質316L,氣體口直徑6mm,空間光接入http://m.zgllyspt.com/?a=cpinfo&id=465
                3
                2-15um碲鎘汞(MCT)中紅外光電探測器響應波長范圍2-15um,光敏面大小2x2mm,工作帶寬10Hz-14MHzhttp://m.zgllyspt.com/?a=cp3&id=418
                4U盤含操作軟件,產品操作手冊/
















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