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高速TDLAS汽车尾气浓度检测系统 - 筱晓光子

发布时间:2022-03-25      点击次数:116

汽车尾气带来的环境污染随着社会发展已经日益严重。其中,汽车排放的二氧化碳(CO2)是温室效应的罪魁祸首,还有CO等有毒气体,对人类的健康危害巨大。因此,汽车尾气浓度检测系统应运而生。



设计一套汽车尾气浓度检测系统,需要确保测量过程中的高灵敏性、实时性以及高集成性。我们使用1579.7nm DFB激光器、超快光电探测器、锁相放大器,10 cm光程气室搭建了1579.7nm的CO&CO2双峰高速TDLAS系统,利用二次谐波法抑制了气流等低频噪声对气体微量吸收的影响,保证测量的高灵敏,利用锁相放大器进行高速扫描,1秒20次的浓度采样速率可以应对路面上瞬息万变的车辆情况,保证了系统的实时性,利用1579.7nm的C0&C02双峰,可以实现一个光源同时测量两种气体浓度,体现了该系统的高集成性。


高速TDLAS汽车尾气浓度检测系统的搭建如下图所示,1579.7、nm激光由锁相放大器调制后,通过准直镜变为空间光,穿过10cm气室(通入了一定浓度的CO&CO2气体),并用超快光电探测器将其转换为电信号后送入锁相放大器进行解调。


锁相放大器内部的配置如下,需要使用三个通道:第一个通道输出低频正弦波,用于激光扫频(图中为0.5HZ),第二个通道输出20kHz正弦波,用于激光调制,将这两个信号叠加后一起输出到激光驱动调制端口,第三个通道输入光电探测器探测到的电信号,和40kHz信号(二次谐波)混频解调,得到TDLAS信号。




得到的解调信号如下所示,可以看到CO和CO2两种气体的吸收峰会在该波段同时出现,然后通过定标与实时监测,就可以实现对汽车尾气浓度的快速探测了。







由于受限于光程的长度(0.1m),吸收峰不是很明显,气体浓度为16%(CO2)、10%(CO),扫描速度为2秒扫描一个来回。因此,我们更换了0.2m光程的气室,吸收峰变大,扫描速度可以加快到1秒10个周期(20次扫描)。