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近红外TDLAS C2H2 ppb级浓度分析系统
  2021-07-15

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。

乙炔:C2H2,俗称风煤或电石气,是炔烃化合物中体积最小的一员,主要作工业用途,特别是烧焊金属方面。乙炔在室温下是一种无色、极易燃的气体。纯乙炔是无臭的,但工业用乙炔由于含有硫化氢、磷化氢等杂质,而有一股大蒜的气味。

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近红外TDLAS C2H2 ppb级浓度分析系统
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技术参数

一,原理描述:

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。

乙炔:C2H2,俗称风煤或电石气,是炔烃化合物中体积最小的一员,主要作工业用途,特别是烧焊金属方面。乙炔在室温下是一种无色、极易燃的气体。纯乙炔是无臭的,但工业用乙炔由于含有硫化氢、磷化氢等杂质,而有一股大蒜的气味。

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

在进行气体检测时,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:


1,1520nm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

 

IMG_256

光谱图

 

 

12121.png

功率曲线图

 

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:产生正弦波与三角波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。运行参数及波形均可由电脑端控制和读取。

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3,40米长光程气体吸收池

筱晓光子的40米长光程气体吸收池采用全光纤结构设计。光纤输入和光纤输出单元用于各种气体的光谱分析和检测。气体吸收池的光学结构采用自主专利设计,具有优异的光学稳定性、辅助性和高稳定性的光学封装结构,主要由气体腔、反射镜、标准光纤连接器、气体进出口、防震座等组成。独特的悬浮光路设计,具有优异的振动和温度稳定性,能在多种复杂环境中稳定工作,非常适合各种气体的在线实时检测。系统噪声低,可用于痕量气体分析。

 

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4,探测器

铟镓砷探测器,带放大,可调增益,900 - 1700 nm,带宽13 MHz

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四,实验测试:

IMG20210713165745

IMG20210713165709

 

操作步骤:

1,TDLAS控制盒连接电源,USB线

2,40米长光程气体吸收池的一端光纤连接激光器的输出端,另一端光纤连接探测器的输入接口

3,用一根BNC转BNC线连接探测器和TDLAS控制盒的PERAMP 前置放大端

4,用一根BNC转BNC线连接TDLAS控制盒的TRIG OUT和示波器的通道1作为触发

5,用一根BNC转BNC线连接TDLAS控制盒的DAC OUT和示波器的通道2作为输出

6,打开激光器,打开探测器开关

7,向气室中通入适量2ppm的C2H2,调节软件参数,在示波器上观察二次谐波信号幅值信息

 

过程分析:

利用电脑端的控制软件调节电流和温度的大小对波长进行调谐,使激光器实现一定波长范围的扫描,使输出波长覆盖气体的吸收峰,锁相放大器提供高频正弦调制信号,使激光器输出频率得到正弦调制,激光器发出的光经过气体吸收池,通过探测器进入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,使输出波形最优。

 

五,测试结果:

1,二次谐波波形及调制参数如下:

 

TEK0012

                           二次谐波

1520nm CH2 2ppm

                                调制参数

2,验证分析:

 

通过查询Hitran数据库得到在波数为6568cm-1-6588cm-1范围的吸收谱线如下:

IMG_256

我们通过对比二次谐波幅值信息和数据库,发现和数据库相符合,由此验证是C2H2气体。

 

 

实验结论:

通过测试,我们发现C2H2浓度为2ppm时,二次谐波幅值可达512mV ,由此可以说明我们的TDLAS分析系统,测试精度极高,可达ppb量级。


订购信息

产品型号:TDLAS-1520-C2H2-NIR 

产品名称:近红外TDLAS C2H2 ppb级浓度分析系统

产品清单:

#

名称

描述

数量

1

TDLAS 综合控制主机

该主机含激光驱动,锁相放大,数据采集功能

1

2

1520nm DFB激光二极管

2nm可调,输出功率20mw,线宽<2MHz ,14引脚蝶形封装,兼容控制器

1

3

40米长光程气体吸收池

光程:40m全光纤,光纤进光纤出,FC/APC接头

1

4

探测器

铟镓砷探测器,带放大,可调增益,900   - 1700 nm,带宽13 MHz

1

5

U盘

含操作软件,产品操作手册

1


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