近红外TDLAS C2H2乙炔ppb级浓度分析系统

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

光谱图

                            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。

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。*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。

4，探测器

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

四,实验测试：

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*。

五,测试结果：

1，二次谐波波形及调制参数如下：

                           二次谐波

                                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：

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*，可达ppb量级。