CN104568834B - 基于tdlas的氨气检测实验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于TDLAS的氨气检测实验系统，该实验系统包括信号发生器、激光驱动器、DFB激光器、激光准直器、气体吸收池、探测器、前置放大器、锁相放大器、数据采集卡及控制系统。所述气体吸收池整体包括进光部分、气室及窗体、反射部分、出射光部分。与现有技术相比，本发明对满足基于TDLS的氨气检测的实验需求，同时满足简单易调节，缩短加工周期以及降低生产成本的积极效果。

Description

基于TDLAS的氨气检测实验系统
技术领域
本发明涉及一种发动机尾气中氨气检测技术，特别是涉及一种基于TDLAS的氨气检测实验系统。
背景技术
能源和环境是人类社会生存和发展的物质基础，发动机作为与能源和环境关系极为密切的载体，已成为与各行业、家庭密切相关的生产生活必需品。柴油机以其油耗低、扭矩大的优势，被广泛应用于船舶动力、发电、灌溉、车辆动力等领域，尤其在车辆动力方面的发展优势最为明显。随着柴油汽车保有量的快速、持续增长，柴油汽车尾气排放的主要气体成分氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)对环境的污染问题日益突出。研究和实践表明，以尿素水溶液为还原剂的SCR技术是唯一能够满足国IV甚至未来国V要求的排气后处理方法。其原理是利用柴油汽车排气管排气的热量使得还原剂(尿素+水，比例32.5％)热解生成NH3，在催化剂的作用下与排气中NOx进行还原反应生成氮气和水。尿素剂量由SCR电控系统控制，实际工作中喷出的尿素量应略多于化学反应所需要的量，以确保还原完全，剩余的NH3排放到大气中。这一部分排放的NH3又造成了新的大气环境污染。
此外，NH3很容易和大气中的一些酸性气体发生中和反应生成铵盐，促进大气细颗粒物(PM2.5)的形成，排放到空气中会产生严重的环境效应，对空气质量、大气能见度及酸性沉降有重要影响。
可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectros-copy,TDLAS)，作为一种高选择性、高灵敏度、高精度的快速在线检测技术，被广泛应用于环境大气检测领域。TDLAS利用半导体激光器调谐特性，结合谐波检测技术，对特定频率处的待测气体进行吸收探测。由于探测的谱线线宽很窄，故可避免其他气体干扰，实现近似“单线光谱”检测。由于激光的相干性好且光功率密度高，因而可实现高精度检测。谐波探测技术结合长光程技术，能够很好的抑制噪声，提高检测灵敏度，检测限可达ppm～ppt级别。此外，它可以实现开放光程的实时、在线检测，一系列优越性能使其在大气线检测方面迅速发展，成为重要检测手段之一。
现有技术中亟待研发一种以SCR型机动车逃逸氨为检测目标，开展TDLAS检测的氨气检测仿真系统，以便于学术研究，乃至于产业预测分析的借鉴。
发明内容
为了克服上述现有技术，本发明提出了一种基于TDLAS的氨气检测实验系统，结合实际的氨气浓度检测进行检测系统的整体设计、氨气吸收峰的选择、主要器件选择以及光程池的设计，为进一步的实验研究及浓度测量搭建系统平台。
本发明提出了一种基于TDLAS的氨气检测实验系统，该实验系统包括信号发生器、激光驱动器、DFB激光器、激光准直器、气体吸收池、探测器、前置放大器、锁相放大器、数据采集卡及控制系统，前述各部件通过气路连接构成该实验系统；其中：
所述DFB激光器，用于提供可调谐二极管激光吸收光谱很好的光源；
所述激光驱动器，用于控制和检测激光器的工作状态，并通过设定边界参数为激光器提供过载保护；
所述探测器，用于探测经气体吸收后的出射光，将光信号转换成电信号；
所述信号检测模块，用于探测二次谐波信号；
所述前置放大器，用于将经过探测器探测到的电信号，经过电流放大，并将放大后的电流信号转换成电压信号后输出给锁相放大器进行谐波检测；
所述锁相放大器，用于通过相敏检测及放大技术，检测与参考信号同频或倍频的特定频率的有用信号，抑制其他无用信号和噪声；
所述数据采集卡及控制系统，用于该系统的数据采集及控制，有三种波形显示模式，包括谐波信号及锯齿波信号的实时显示、单周期的谐波信号显示、所测量的浓度变化曲线显示；
向气体吸收池中通入一定浓度的氨气作为待测气，由信号发生器产生调制信号，这里由两路信号组成，一路是用于改变激光器输出激光波长的锯齿波扫描信号，一路是用于调制驱动信号的高频正弦调制信号；两路信号通过叠加得到调制信号，输入到激光驱动器，通过控制激光驱动器的电流和温度，使得所选氨气吸收峰在扫描的中心波长处。发出的激光经气体吸收池被吸收，出射的光信号由探测器探测并转化为电信号，再由前置放大器放大，最后由锁相放大器进行谐波检测；此外，由信号发生器产生的高频正弦调制信号，同时作为参考信号输入到锁相放大器，通过相敏检波检测出二次谐波信号，由数据采集卡采集，并由计算机进行计算处理；
所述气体吸收池整体包括进光部分、气室及窗体、反射部分、出射光部分，其中：
所述进光部分，设置五维调节架对激光准直器进行聚焦准直的输出进行精确调节，使得激光经过一定空间距离传播的光斑能够由光电探测器精准探测；
所述气室的池体，内壁光洁，不吸收频段激光，不吸附气体，化学性能稳定，不与检测气体发生反应，能承受得住一定的温度和大气压强；用同样的材质的不锈钢材料进行气室两端密封法兰的加工，并用耐NH3腐蚀的氟橡胶O型圈进行密封；
所述窗体，安装在气体吸收池池体的两侧，用于密封待测气体，使激光穿过气体池；
所述反射部分：采用由三片互成90°的反射镜组成的角立方反射镜，使激光束发生180°旋转；
所述出射光部分，利用一个有聚焦并能实现转向聚焦功能的反射镜，使得出射光聚焦到探测器上。
所述激光器选择中心波长为1512nm的激光器。
所述气体吸收池整体包括进光部分、气室及窗体、反射部分、出射光部分，其中：
所述进光部分，设置五维调节架对激光准直器进行聚焦准直的输出进行精确调节，使得激光经过一定空间距离传播的光斑能够由光电探测器精准探测；
所述气室的池体，内壁光洁，不吸收该频段激光，不吸附气体，化学性能稳定，不与检测气体发生反应，能承受得住一定的温度和大气压强；用同样的材质的不锈钢材料进行气室两端密封法兰的加工，并用耐NH3腐蚀的氟橡胶O型圈进行密封。。
所述窗体，安装在气体吸收池池体的两侧，用于密封待测气体，使激光穿过气体池；
所述反射部分：采用由三片互成90°的反射镜组成的角立方反射镜，使激光束发生180°旋转；
所述出射光部分，利用一个有聚焦并能实现转向聚焦功能的反射镜，使得出射光聚焦到探测器上。
所述窗体的材料选择氟化钙。
所述反射部分以玻璃为基片材料，表面镀铝膜。
所述出射光部分选择一90°离轴抛物镜实现光路90°转变和聚焦，表面镀铝膜。
与现有技术相比，本发明对满足基于TDLS的氨气检测的实验需求，同时满足简单易调节，缩短加工周期以及降低生产成本的积极效果。
附图说明
图1为本发明的实验系统结构示意图；
图2为NH3在1.5um附近的吸收峰图；
图3为H2O和CO2在1512nm附近处的吸收谱线分布图；
图4为H2O在1512nm附近处的吸收谱线分布图；
图5为锁相放大器原理图；
图6为气体吸收池的结构示意图；
图7为气体吸收池的实物图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的实施范围并不局限于此。
本发明的实验系统包括：信号发生器、光源驱动器、DFB激光器、激光准直器、气体吸收池等组成的光学系统模块、探测器、前置放大器、锁相放大器、数据采集卡及控制系统，前述各组成部件通过气路连接组成。
根据实验需要及氨气的吸收峰的位置合理选择激光器，实验测量时，向气体吸收池中通入一定浓度的氨气作为待测气。由信号发生器产生调制信号，这里由两路信号组成，一路是用于改变激光器输出激光波长的锯齿波扫描信号，一路是用于调制驱动信号的高频正弦调制信号。两路信号通过叠加得到调制信号，输入到激光驱动器，通过控制激光驱动器的电流和温度，使得所选氨气吸收峰在扫描的中心波长处。发出的激光经气体吸收池被吸收，出射的光信号由探测器探测并转化为电信号，再由前置放大器放大，最后由锁相放大器进行谐波检测。此外，由信号发生器产生的高频正弦调制信号，同时作为参考信号输入到锁相放大器，通过相敏检波检测出二次谐波信号，由数据采集卡采集，并由计算机进行计算处理。
要获得较高的检测灵敏度，就要选择谱线线强较大的光谱波段，同时还应避开其他气体的干扰检测系统选择中心波长为1512nm的激光器。这里的依据如下：
考虑到H2O和CO2的干扰问题，1.5um和2.3um对于逃逸NH3的检测是最为有用。在1.5um附近有部分H2O的干扰，而CO2的干扰非常小。
由HITRAN数据库查得的在此处附近的H2O和CO2的吸收谱线的强度及位置结果如图3和4所示，可以看出在1512nm即6613.7cm-1处H2O和CO2并没有干扰谱峰，因此，我们的检测系统选择中心波长为1512nm的激光器。
各主要组成部件的具体选择是：
所述光源：选择中心波长为1512nm的DFB激光器。DFB激光器的主要波长范围在0.6um～1.8um，基本上覆盖了近红外区的大部分区域，因此DFB激光器是可调谐二极管激光吸收光谱很好的光源。
所述激光驱动器，用于控制和检测激光器的工作状态，并通过设定边界参数为激光器提供过载保护，它的稳定性直接影响着检测系统的稳定性。本实验系统采用激光驱动器LDC-3900，它具有四通道，即可以同时对四组激光器进行控制。同时，配备了LCM-39427控制模块，可对激光器进行电流和温度控制。此外，还配备了激光器夹具LDM-4980，用于固定激光二极管及连接激光驱动器和激光二极管，并配有散热器，保证激光器正常工作。
所述光电探测器是该检测系统的信号探测的主要部分之一，主要是探测经气体吸收后的出射光，将光信号转换成电信号，因此其探测的灵敏度及稳定性也对整个探测系统的灵敏度和稳定性产生影响。这里采用PD300-130807005InGaAs光电二极管。
所述前置放大器，经过光电探测器探测到的电信号，还要经过电流放大，并将放大后的电流信号转换成电压信号后输出给锁相放大器进行谐波检测。实验使用的是德国Femto生产的放大倍数可调的DLPCA-200的前置放大器。
锁相放大器，用于通过相敏检测及放大技术，检测与参考信号同频或倍频的特定频率的有用信号，抑制其他无用信号和噪声。锁相放大器一般由四部分组成：信号通道、参考通道、相敏检波器(PSD)、低通滤波器(LPF)，如图5所示。其中相敏检波器有鉴幅和鉴相功能，完成两路信号的相关运算并产生和频及差频信号。低通滤波器滤除无关频率分量，经输出放大器输出与被测信号成正比的直流信号。本实验系统采用的是7270双向锁相放大器。
所述数据采集，使用PCI8757同步采集卡，16位转换精度，采样频率范围为3KHz～800KHz，4个物理通道，双端模拟输入，电压输入范围为±10V。控制程序及数据采集程序由Labview软件编写，有三种波形显示模式，包括谐波信号及锯齿波信号的实时显示、单周期的谐波信号显示、所测量的浓度变化曲线显示。可以设定采样模式即连续采样或定值采样，可进行采样率及采样数的设定。
为了满足实验需求，同时满足简单易调节，缩短加工周期以及降低生产成本，这里采用单次反射光程池方案，即设计半米长光程池，通过单次反射使光程加倍。光程池整体包括：进光部分、气室、反射部分、出射探测部分。整体设计结构图如图6。从激光器射出的激光经过准直器进行光路准直，再穿过离轴抛物镜上的通光孔，进入充有待测气体的气室，经过气室另一侧的角立方反射镜进行180°平行转向，再次经窗口进入气室，经待测气吸收后的激光打在离轴抛物镜上进行90°转向聚焦，最后由光电探测器接收。实物图如图7所示。
气体吸收池的各部分结构及选型如下：
(1)进光部分：激光器输出的激光先经过激光准直器进行聚焦准直，进光部分通过五维调节架进行精确调节，使得激光经过一定空间距离传播的光斑能够由光电探测器精准探测。
(2)气室：池体的设计要求为内壁光洁，不吸收该频段激光，不吸附气体，化学性能稳定，不与检测气体发生反应，能承受得住一定的温度和大气压强。由于要检测的氨气具有一定的腐蚀性并呈现弱碱性，我们选用对NH3有抗腐作用、价格较低、易加工、并具有较强抗压性能的316L不锈钢材料作为气体池池体材料。同时为了保证气体池的密封性，用同样的材质的不锈钢材料进行气室两端密封法兰的加工，并用耐NH3腐蚀的氟橡胶O型圈进行密封。。
(3)窗体：窗体安装在气体吸收池池体的两侧，用于密封待测气体，使激光穿过气体池。因此要求窗体材料满足相应的光学特性及稳定的化学特性和物理特性，即对该频段的激光具有高透过率和低反射率，且不和待测气体反应，有一定的抗压和抗高温性，并且裸露在空气中不易发生潮解等反应。这里窗口材料选择氟化钙。
(4)反射部分：为实现一米光程，我们这里采用角立方反射镜，它是由三片互成90°的反射镜组成的光学器件。角立方反射镜的特点为：稳定性好、抗扰动性能强、可使激光束发生180°旋转，从而降低了对调整精度的要求。同时它对入射光位置不敏感，这使得光路易调整，工作效率大大提高。这里以玻璃为基片材料，采取表面镀铝膜的方式加工。
(5)出射光部分：出射光需要一个有聚焦并能实现转向聚焦功能的反射镜，使得出射光聚焦到探测器上。我们这里采用的是90°离轴抛物镜实现光路90°转变和聚焦，表面镀铝膜。离轴二次非球面因具有简化光学系统、提高系统的成像质量、减小仪器的尺寸和重量并可避免光学系统遮拦等特点。离轴抛物面镜作为二次球面的一种，能产生独特的无像差平行光束。在理想状态下，入射光束严格平行于光轴时，反射光束聚焦于离轴抛物面镜的焦点，因此可以同时实现对光线的转向和聚焦的作用。该系统的离轴抛物镜实物。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种基于TDLAS的氨气检测实验系统，其特征在于，该实验系统包括信号发生器、激光驱动器、DFB激光器、激光准直器、气体吸收池、探测器、前置放大器、锁相放大器、数据采集卡及控制系统，前述各部件通过气路连接构成该实验系统；其中：
所述DFB激光器，用于提供可调谐二极管激光吸收光谱很好的光源；
所述激光驱动器，用于控制和检测激光器的工作状态，并通过设定边界参数为激光器提供过载保护；
所述探测器，用于探测经气体吸收后的出射光，将光信号转换成电信号；
所述信号检测模块，用于探测二次谐波信号；
所述前置放大器，用于将经过探测器探测到的电信号，经过电流放大，并将放大后的电流信号转换成电压信号后输出给锁相放大器进行谐波检测；
所述锁相放大器，用于通过相敏检测及放大技术，检测与参考信号同频或倍频的特定频率的有用信号，抑制其他无用信号和噪声；
所述数据采集卡及控制系统，用于该系统的数据采集及控制，有三种波形显示模式，包括谐波信号及锯齿波信号的实时显示、单周期的谐波信号显示、所测量的浓度变化曲线显示；
向气体吸收池中通入一定浓度的氨气作为待测气，由信号发生器产生调制信号，这里由两路信号组成，一路是用于改变激光器输出激光波长的锯齿波扫描信号，一路是用于调制驱动信号的高频正弦调制信号；两路信号通过叠加得到调制信号，输入到激光驱动器，通过控制激光驱动器的电流和温度，使得所选氨气吸收峰在扫描的中心波长处；发出的激光经气体吸收池被吸收，出射的光信号由探测器探测并转化为电信号，再由前置放大器放大，最后由锁相放大器进行谐波检测；此外，由信号发生器产生的高频正弦调制信号，同时作为参考信号输入到锁相放大器，通过相敏检波检测出二次谐波信号，由数据采集卡采集，并由计算机进行计算处理；
所述气体吸收池整体包括进光部分、气室及窗体、反射部分、出射光部分，其中：
所述进光部分，设置五维调节架对激光准直器进行聚焦准直的输出进行精确调节，使得激光经过一定空间距离传播的光斑能够由光电探测器精准探测；
所述气室的池体，内壁光洁，不吸收频段激光，不吸附气体，化学性能稳定，不与检测气体发生反应，能承受得住一定的温度和大气压强；用同样的材质的不锈钢材料进行气室两端密封法兰的加工，并用耐NH3腐蚀的氟橡胶O型圈进行密封；
所述窗体，安装在气体吸收池池体的两侧，用于密封待测气体，使激光穿过气体池；
所述反射部分：采用由三片互成90°的反射镜组成的角立方反射镜，使激光束发生180°旋转；
所述出射光部分，利用一个有聚焦并能实现转向聚焦功能的反射镜，使得出射光聚焦到探测器上。
2.如权利要求1所述的基于TDLAS的氨气检测实验系统，其特征在于，所述激光器选择中心波长为1512nm的激光器。
3.如权利要求1所述的基于TDLAS的氨气检测实验系统，其特征在于，所述窗体的材料选择氟化钙。
4.如权利要求1所述的基于TDLAS的氨气检测实验系统，其特征在于，所述反射部分以玻璃为基片材料，表面镀铝膜。
5.如权利要求1所述的基于TDLAS的氨气检测实验系统，其特征在于，所述出射光部分选择一90°离轴抛物镜实现光路90°转变和聚焦，表面镀铝膜。
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一种用于一次谐波背景消除与基线校正的新型方法;张锐，赵学玒，胡雅君等;《物理学报》;20141231;第63卷(第7期);第070702-1页至070702-7页 *
波长调制技术中光强调制对二次谐波线型的影响研究;胡雅君，赵学玒，张锐，郭媛等;《光学学报》;20131130;第33卷(第1期);正文第4.1节及图11 *

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