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TDLAS測(cè)氨氣濃度

 TDLAS（Tunable  Diode  Laser  Absorption   Spectroscopy ）它是利用激光器波長(zhǎng)調(diào)制通過(guò)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(lái)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(wú)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(lái)于制液氮、氨水、硝酸、銨鹽和胺類等。

二，理論基礎(chǔ) 

1，比爾-朗伯定律

一束激光穿過(guò)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(guò)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(guò)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

（3）在選定的吸收譜線處沒(méi)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

光譜圖 
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(guò)查詢Hitran數(shù)據(jù)庫(kù)

波長(zhǎng)

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強(qiáng)吸收峰，且沒(méi)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(guò)程及結(jié)果

1，如上圖所示，

a，LASER  OUT連接光程池輸入端

b，光程池輸出端經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換模塊接入PREAMP

c，TRIG OUT接入示波器通道1

d，DAC OUT 接入示波器通道2


2，過(guò)程分析：激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)氣體吸收池，通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)入PREAMP端前置放大電路，再經(jīng)過(guò)鎖相放大器調(diào)制解調(diào)，通過(guò)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(guò)程中，我們通過(guò)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zui優(yōu)。


3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果：


1512nm二次諧波波形及調(diào)整參數(shù)


1513.8nm二次諧波波形及調(diào)整參數(shù)

4，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。


在實(shí)際探測(cè)氨氣濃度時(shí)，我們選取中心波長(zhǎng)1513.8nm來(lái)進(jìn)行標(biāo)定。調(diào)制參數(shù)不變，通過(guò)二次諧波的幅值來(lái)計(jì)算氣體濃度。

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