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中紅外TDLAS N2O ppm級濃度分析系統 - 實驗分析

更新時間：2022-12-13

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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小化。為了獲得佳效果，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
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)mm	http://www.microphotons。。ｃｎ/?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zui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://www.microphotons。。ｃｎ/?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-14MHz	http://www.microphotons。。ｃｎ/?a=cp3&id=418
4	U盤	含操作軟件，產品操作手冊	/

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