近紅外TDLAS C2H2乙炔ppb級濃度分析系統

一，原理描述：

TDLAS（Tunable  Diode  Laser  Absorption   Spectroscopy ）它是利用激光器波長(cháng)調制通過(guò)被測氣體的特征吸收區，在二極管激光器與長(cháng)光程吸收池相結合的基礎上，發(fā)展起來(lái)的新的氣體檢測方法。

TDLAS技術(shù)采用的半導體激光光源的光譜，寬度遠小于氣體吸收譜線(xiàn)的展寬，得到單線(xiàn)吸收光譜，因此TDLAS技術(shù)是一種高分辨率吸收光譜技術(shù)。

乙炔：C2H2，俗稱(chēng)風(fēng)煤或電石氣，是炔烴化合物中體積最小的一員，主要作工業(yè)用途，特別是燒焊金屬方面。乙炔在室溫下是一種無(wú)色、極易燃的氣體。純乙炔是無(wú)臭的，但工業(yè)用乙炔由于含有硫化氫、磷化氫等雜質(zhì)，而有一股大蒜的氣味。

二，理論基礎：

1、比爾-朗伯定律

一束激光穿過(guò)濃度為C的被測氣體時(shí)，當激光器的波長(cháng)和被測氣體某個(gè)吸收譜線(xiàn)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，表現為氣體吸收波段激光光強的衰減

2、波長(cháng)調制光譜技術(shù)

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(xiàn)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(guò)對激光器的驅動(dòng)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(guò)給激光器驅動(dòng)加鋸齒波電壓，使其輸出波長(cháng)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(jìn)行氣體濃度的測量。

3、吸收譜線(xiàn)選取的原則

在進(jìn)行氣體檢測時(shí)，對吸收譜線(xiàn)的選取非常關(guān)鍵，應考慮以下幾個(gè)方面

（1）氣體在選定的譜線(xiàn)處要有較強的吸收峰，

（2）譜線(xiàn)波長(cháng)對應的激光器光源技術(shù)要相對成熟

（3）在選定的吸收譜線(xiàn)處沒(méi)有背景氣體吸收的干擾，或吸收相對較弱，可以忽略

三,實(shí)驗儀器：

1,1520nm激光器

特點(diǎn)：波長(cháng)穩定性好，窄線(xiàn)寬，單縱?？烧{諧，14引腳封裝

光譜圖

                            功率曲線(xiàn)圖

2，TDLADS激光氣體檢測綜合控制盒

本產(chǎn)品是一款用于可調諧半導體激光吸收譜技術(shù)（可調諧半導體激光吸收譜技術(shù)（TDLAS））的控制模塊。主要功能包括：產(chǎn)生正弦波與三角波疊加的數字激光驅動(dòng)、可調增益、可調增益放大器、1f/2f 數字鎖相放大器、模擬輸出溫控單元。運行參數及波形均可由電腦端控制和讀取。

3，40米長(cháng)光程氣體吸收池

筱曉光子的40米長(cháng)光程氣體吸收池采用全光纖結構設計。光纖輸入和光纖輸出單元用于各種氣體的光譜分析和檢測。氣體吸收池的光學(xué)結構采用自主設計，具有優(yōu)異的光學(xué)穩定性、輔助性和高穩定性的光學(xué)封裝結構，主要由氣體腔、反射鏡、標準光纖連接器、氣體進(jìn)出口、防震座等組成。*的懸浮光路設計，具有優(yōu)異的振動(dòng)和溫度穩定性，能在多種復雜環(huán)境中穩定工作，非常適合各種氣體的在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測。系統噪聲低，可用于痕量氣體分析。

4，探測器

銦鎵砷探測器，帶放大，可調增益，900 - 1700 nm，帶寬13 MHz

四,實(shí)驗測試：

操作步驟：

1，TDLAS控制盒連接電源，USB線(xiàn)

2，40米長(cháng)光程氣體吸收池的一端光纖連接激光器的輸出端，另一端光纖連接探測器的輸入接口

3，用一根BNC轉BNC線(xiàn)連接探測器和TDLAS控制盒的PERAMP 前置放大端

4，用一根BNC轉BNC線(xiàn)連接TDLAS控制盒的TRIG OUT和示波器的通道1作為觸發(fā)

5，用一根BNC轉BNC線(xiàn)連接TDLAS控制盒的DAC OUT和示波器的通道2作為輸出

6，打開(kāi)激光器，打開(kāi)探測器開(kāi)關(guān)

7，向氣室中通入適量2ppm的C2H2，調節軟件參數，在示波器上觀(guān)察二次諧波信號幅值信息

過(guò)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(cháng)進(jìn)行調諧，使激光器實(shí)現一定波長(cháng)范圍的掃描，使輸出波長(cháng)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(fā)出的光經(jīng)過(guò)氣體吸收池，通過(guò)探測器進(jìn)入PREAMP端前置放大電路，再經(jīng)過(guò)鎖相放大器調制解調，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。整個(gè)過(guò)程中，我們通過(guò)調節軟件中的各項參數，同時(shí)觀(guān)察輸出波形，使輸出波形*。

五,測試結果：

1，二次諧波波形及調制參數如下：

                           二次諧波

                                調制參數

2，驗證分析：

通過(guò)查詢(xún)Hitran數據庫得到在波數為6568cm-1-6588cm-1范圍的吸收譜線(xiàn)如下：

我們通過(guò)對比二次諧波幅值信息和數據庫，發(fā)現和數據庫相符合，由此驗證是C2H2氣體。

實(shí)驗結論：

通過(guò)測試，我們發(fā)現C2H2濃度為2ppm時(shí)，二次諧波幅值可達512mV ,由此可以說(shuō)明我們的TDLAS分析系統，測試精度*，可達ppb量級。