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TDLAS測氨氣濃度

 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、氨氣： 

NH3，是一種易具有刺激性氣味，無色有毒，比空氣輕，弱堿性，沸點較低，極易溶于水，易液化的氣體。在高溫時會分解成氮氣和氫氣，有還原作用。可由氮和氫直接合成而制得。在工業中常被用來于制液氮、氨水、硝酸、銨鹽和胺類等。

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

在進行氣體檢測是，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

1，1512 DFB激光器

特點：波長穩定性好，窄線寬，單縱模可調諧，14引腳封裝

光譜圖 
調諧曲線

2，TDLADS激光氣體檢測綜合控制盒

本產品是一款用于可調諧半導體激光吸收譜技術（可調諧半導體激光吸收譜技術（TDLAS））的控制模塊。主要功能包括：產生正弦波與三角疊加的數字激光驅動、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、數字鎖相放大器、模擬輸出溫控單元、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，長光程吸收池（20m）

4，示波器

5，電壓轉換模塊

四、吸收波長選取


根據1512nmDFB 調諧范圍，我們可以通過查詢Hitran數據庫

波長

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強吸收峰，且沒有其他氣體的干擾。實驗中我們可以測試1513.8nm處的二次諧波幅值和1512nm處的二次諧波幅值作為對比。

五、實驗測試過程及結果

1，如上圖所示，

a，LASER  OUT連接光程池輸入端

b，光程池輸出端經過電壓轉換模塊接入PREAMP

c，TRIG OUT接入示波器通道1

d，DAC OUT 接入示波器通道2


2，過程分析：激光器發出的光經過氣體吸收池，通過電壓轉換模塊進入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zui優。


3，實驗結果：


1512nm二次諧波波形及調整參數


1513.8nm二次諧波波形及調整參數

4，結論：由此我們看出，吸收峰值越高，二次諧波幅值越大，因此探測濃度的下限越低，探測精度越高。


在實際探測氨氣濃度時，我們選取中心波長1513.8nm來進行標定。調制參數不變，通過二次諧波的幅值來計算氣體濃度。

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