基于TDLAS的氨气检测实验系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于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，本发明专利技术对满足基于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。

【技术实现步骤摘要】
基于TDLAS的氨气检测实验系统
本专利技术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。
技术介绍
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(TunableDiodeLaserAbsorptionSpectros-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。
技术实现思路
为了克服上述现有技术，本专利技术提出了一种基于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。本专利技术提出了一种基于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，本专利技术对满足基于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为本专利技术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专利技术进行详细说明，但本专利技术的实施范围并不局限于此。本专利技术的实验系统包括：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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：所述光源模块，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，封装后的仿真模块如图6所示，洛伦兹和高斯线型下的二次谐波信号的仿真结果；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。...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵学玒，汪曣，杜康，蒋学慧，孙传强，孙运，胡雅君，王喆，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12