一種TDLAS氣體濃度檢測系統的制作方法

本實用新型屬于氣體濃度檢測設備技術領域，尤其是一種TDLAS(可調諧二極管激光吸收光譜)氣體濃度檢測系統。

背景技術：

目前，隨著個人平均收入水平的提高以及汽車價格的低廉化，汽車的保有量持續、快速地增長，其中柴油機動力車以其油耗低等的優點被廣泛使用。但柴油機排放尾氣中主要含有的顆粒物(PM)和氮氧化物(NOx)等成份會對環境造成嚴重破壞，為降低氮氧化物(NOx)這種對環境危害較大的污染物排除，一般采取脫硝方法減小氮氧化物。普遍采用尿素溶液作為還原劑的SCR技術。該方法是利用尿素溶液被熱解成氨氣，排氣中NOx與氨氣在催化劑的作用下生成氮氣和水。在實際的過程中一般會噴灑過量的尿素溶液確保尾氣中的NOx完全還原，但由此會使得尾氣中帶有NH₃，排放的NH₃又造成了新的環境污染，如若不噴灑過量的尿素溶液，又會使沒有完全還原的氮氧化物得不到有效去除，故需要對柴油機尾氣脫硝SCR還原中NH₃的濃度進行高精度實時檢測。

另外，氨氣是一種無色且帶有刺激性氣味的有毒氣體，會對人、動物、植物造成嚴重的危害。當處在高濃度環境下可引起反射性呼吸停止或心臟停搏。接觸濃度為553mg/m^3可引發強烈的刺激癥狀，可耐受時長為1.25分鐘，在3500～7000mg/m^3濃度環境下可導致立即死亡。體外的氨氣由于其吸附特性常吸附在皮膚表面和眼結膜，吸收組織中的水分，引起組織蛋白變性、組織脂肪皂化，破壞細胞膜結構，引起炎癥和相應的皮膚疾病。少量的吸入氨氣會刺激甚至腐蝕人體氣管粘膜組織，引起人體呼吸感染，麻痹呼吸道纖毛并損害粘膜上皮組織，減弱人體的抗病能力。若氨氣吸入體內并通過肺泡進入血液，會與血紅蛋白結合，破壞血液的運氧功能。大量的吸入氨氣會引起咳嗽、頭暈、頭痛、嘔吐、乏力等，并引起呼吸窘迫綜合癥，同時引發肺水腫。若吸入過量的氨氣，會導致三叉神經末梢的反射作用傷害人體的免疫系統、神經、心血管以及內臟，嚴重的會導致死亡。長期在含有氨氣環境下，會使得人體皮膚出現色素沉積或手指潰瘍等癥狀。

此外，氨氣會對環境造成嚴重污染。氨氣與大氣中的酸性氣體中和反應生成的銨鹽，是大氣中顆粒物(PM2.5)形成的原因之一，并會引發光化學煙霧、酸雨等現象產生。氨氣形成的顆粒吸入人體在肺部累積會對人體健康構成威脅；在大氣中由于其消光性會降低能見度； 沉降到地面會使森林退化、水域富營養化和土壤酸化。因此，對柴油機進行脫硝SCR技術過程中逃逸氨氣的高準確性、高精度檢測顯得尤為重要。

因此，亟需一種新的氣體濃度采集儀器。

通過檢索，尚未發現與本專利申請相關的專利公開文獻。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于克服現有技術的不足之處，提供一種TDLAS氣體濃度檢測系統，該系統能夠對柴油機進行脫硝SCR技術過程中逃逸氨氣進行高準確性、高精度地檢測。

本實用新型實現發明目的所采用的技術方案為：

一種TDLAS氣體濃度檢測系統，所述儀器包括發射單元，傳輸單元、接收單元和中央處理單元；

所述發射單元包括信號發生器、激光驅動板和激光器，所述信號發生器的輸出端與激光驅動板的輸入端相連接設置，該激光驅動板的輸出端與激光器的輸入端相連接設置；

所述傳輸單元包括激光準直器、氣體吸收池和氣路系統，所述激光準直器的輸入端與激光器的輸出端相連接設置，該激光準直器的輸出端與氣體吸收池的輸入端相連接設置，該氣體吸收池與氣路系統相連接設置；

所述接收單元包括光電探測器、前置放大器和鎖相放大器，所述光電探測器的輸入端也與氣體吸收池的輸出端相連接設置，該光電探測器的輸出端與前置放大器的輸入端相連接設置，該前置放大器的輸出端與鎖相放大器的輸入端相連接設置；

所述中央處理單元包括數據采集卡和上位機，所述數據采集卡的輸入端與鎖相放大器的輸出端相連接設置，該數據采集卡的輸出端與上位機的輸入端相連接設置；

所述信號發生器的輸出端也與鎖相放大器的輸入端相連接設置，信號發生器輸出正弦波為鎖相放大器提供參考信號；

所述信號發生器向激光驅動板輸出信號，該激光驅動板接收信號并驅動激光器輸出激光，激光器出射激光通過激光準直器對氣體吸收池中的氣體進行監測，監測后的激光由光電探測器接收并轉化為電信號，攜帶有氣體吸收信息的電信號經前置放大器放大后由鎖相放大器解調出二次諧波信號，利用數據采集卡得到數字信號，利用上位機進行后續的分析處理反演出被測氣體濃度值。

而且，所述信號發生器采用的型號為TFG6930A，為獨立雙通道數字信號發生器，兩路輸出信號的頻率、幅度和偏移可以聯動，輸出可以疊加；TFG6930A內置5種標準波形和50種任意波形，10Vp-p的幅值特性以及最高30MHz的頻率輸出，還具有0.2mV的幅度分辨率 及1uHz的頻率分辨率；

所述信號發生器輸出掃描信號幅度為200mV，頻率為5Hz，調制信號幅度為600mV，頻率為30kHz；

所述激光驅動板包括激光電流驅動板和激光溫度驅動板，驅動電流為50mA，溫度為29℃，其中，激光電流驅動板型號為LDX-3100，是一款專門為可調諧半導體激光器提供驅動電流的電路板卡，分恒流和恒能兩種模式，為二極管提供范圍0～250mA的驅動電流；激光溫度驅動板型號為LDT-5100；

所述激光器采用的是武漢歐迪公司蝶形封裝的分布反饋式半導體激光器，波長為1512nm，光強為4.97dB，峰寬小于0.2nm。

而且，所述氣體吸收池材料采用蒙乃爾合金制成，吸收池長度為0.5m，折返后光程長度為1m，兩端采用CaF₂材料光學窗，適合紅外光透過，且采用10°傾角的空間結構；

所述氣體吸收池采用直角棱鏡結構作為反射元件。

而且，所述光電探測器為武漢歐迪公司的PD500銦鎵砷光電二極管；

所述前置放大器選擇的是FEMTO公司生產的DLPCA-200型號的前置放大器；

所述鎖相放大器選擇的FEMTO公司生產單LIA-MVD-200-H。

而且，所述數據采集卡采用的是美國NI公司生產的NI 9222數據采集卡；所述上位機利用LabVIEW2012軟件對兩路波形進行采集，利用Matlab程序對數據進行后續處理。

而且，所述傳輸單元還包括樣氣過濾設備和尾氣處理設備，所述氣路系統與樣氣過濾設備的輸出端相連接設置，該氣路系統的輸出端與尾氣處理設備的輸入端相連接設置，所述樣氣過濾設備能夠濾除掉樣氣中的顆粒物及油污，過濾后的被測氣體進入氣路系統中，尾氣排入尾氣處理設備，經尾氣處理設備處理后排出。

而且，所述氣體吸收池的進氣端通過球閥、減壓閥與氣路系統相連接設置，該氣體吸收池的進氣端還通過球閥、減壓閥與零氣相連接設置，氣體吸收池的進氣端與球閥之間設置帶負壓的壓力表，該氣體吸收池的出氣端通過球閥與氣泵相連接設置，該氣泵可將氣體吸收池內的氣體抽出。

本實用新型取得的優點和積極效果是：

1、本系統以TDLAS技術為理論基礎，結合反射池及諧波檢測技術，實現了氨氣的實時濃度監測、濃度數據存儲顯示等功能；該系統操作簡單，為柴油機氨污染檢測應用領域提供了堅實的技術基礎，實現柴油機氨排放中檢測評價體系，大幅提高系統檢測精度與響應速度，為柴油機減排研究和環境監測提供新手段。

2、本系統的氣體吸收池采用了近年新興的直角棱鏡結構作為反射元件，該元件無需精密調節，在較大空間移動的情況下都不會影響系統的光學反射，操作方便且抗震性非常好。實驗證明，本氣體吸收池只需對探測器一端進行調節，操作簡便，結合離軸拋物鏡的使用將光束匯聚到垂直方向進行探測，有效的減少了光強損失。如圖2所示，圖2為本系統光路的示意圖，激光經過準直器聚焦后，將激光射入充有被測氣體吸收池，光經過角立方的平行反射作用再次通過吸收池后由離軸拋物鏡聚焦接收。攜帶有氣體吸收信息的光信號由探測器轉換為電信號后輸出。

附圖說明

圖1為本系統的結構連接示意圖；

圖2為本系統的光路的示意圖；

圖3為本系統的氣體吸收池與氣路系統的結構連接示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例，對本實用新型進一步說明；下述實施例是說明性的，不是限定性的，不能以下述實施例來限定本實用新型的保護范圍。

一種TDLAS氣體濃度檢測系統，如圖1所示，所述儀器包括發射單元，傳輸單元、接收單元和中央處理單元；

所述發射單元包括信號發生器、激光驅動板和激光器，所述信號發生器的輸出端與激光驅動板的輸入端相連接設置，該激光驅動板的輸出端與激光器的輸入端相連接設置；

所述傳輸單元包括激光準直器、氣體吸收池和氣路系統，所述激光準直器的輸入端與激光器的輸出端相連接設置，該激光準直器的輸出端與氣體吸收池的輸入端相連接設置，該氣體吸收池與氣路系統相連接設置；

所述接收單元包括光電探測器、前置放大器和鎖相放大器，所述光電探測器的輸入端也與氣體吸收池的輸出端相連接設置，該光電探測器的輸出端與前置放大器的輸入端相連接設置，該前置放大器的輸出端與鎖相放大器的輸入端相連接設置；

所述中央處理單元包括數據采集卡和上位機，所述數據采集卡的輸入端與鎖相放大器的輸出端相連接設置，該數據采集卡的輸出端與上位機的輸入端相連接設置；

所述信號發生器的輸出端也與鎖相放大器的輸入端相連接設置，信號發生器輸出正弦波為鎖相放大器提供參考信號；

所述信號發生器向激光驅動板輸出信號，該激光驅動板接收信號并驅動激光器輸出激光， 激光器出射激光通過激光準直器對氣體吸收池中的氣體進行監測，監測后的激光由光電探測器接收并轉化為電信號，攜帶有氣體吸收信息的電信號經前置放大器放大后由鎖相放大器解調出二次諧波信號，利用數據采集卡得到數字信號，利用上位機進行后續的分析處理反演出被測氣體濃度值。

本系統以TDLAS技術為理論基礎，結合反射池及諧波檢測技術，實現了氨氣的實時濃度監測、濃度數據存儲顯示等功能；該系統操作簡單，為柴油機氨污染檢測應用領域提供了堅實的技術基礎，實現柴油機氨排放中檢測評價體系，大幅提高系統檢測精度與響應速度，為柴油機減排研究和環境監測提供新手段。

在本實施例中，所述信號發生器采用的型號為TFG6930A，是一款獨立雙通道數字信號發生器，兩路輸出信號的頻率、幅度和偏移可以聯動，輸出可以疊加。本系統中信號發生器輸出掃描信號幅度為200mV，頻率為5Hz，調制信號幅度為600mV，頻率為30kHz。TFG6930A內置5種標準波形和50種任意波形，10Vp-p的幅值特性以及最高30MHz的頻率輸出，除此以外還具有0.2mV的幅度分辨率及1uHz的頻率分辨率。

所述激光驅動板包括激光電流驅動板和激光溫度驅動板，驅動電流為50mA，溫度為29℃，其中，激光電流驅動板型號為LDX-3100，是一款專門為可調諧半導體激光器提供驅動電流的電路板卡，分恒流和恒能兩種模式為二極管提供范圍0～250mA的高穩定、低噪音的驅動電流；激光溫度驅動板型號為LDT-5100，為一款根據帕爾貼效應，以熱敏電阻作為反饋回路，利用熱點模塊為可調諧半導體激光器提供精確的低噪音、高穩定性的溫度控制板卡。熱電模塊輸出的雙極性電流可以同時滿足激光器加熱及制冷的需要，同時利用控制回路能夠對溫度進行快速校正，保證輸出溫度的穩定可靠，通過旋轉板卡上的電位器或者外接參考電阻可以方便的設定所需溫度。

DFB激光器有蝶形封裝和TO封裝兩種形式，本系統激光器采用的是武漢歐迪公司蝶形封裝的分布反饋式(DFB)半導體激光器，波長為1512nm，光強為4.97dB，峰寬小于0.2nm。激光器輸出的激光先經過激光準直器進行聚焦準直，進光部分通過五維調節架進行精確調節，使得激光經過一定空間距離傳播的光斑能夠由光電探測器精準探測。

在本實施例中，所述氣體吸收池材料采用蒙乃爾合金制成，是一種以金屬鎳為基體添加銅、鐵、錳等其它元素而成的高強度的單相固溶體合金。該材料在氫氟酸、氟氣介質以及堿 性基質下都具有優異的耐蝕性且具有不產生應力腐蝕裂紋，切削性能良好等優點，非常適合通用氣體池材料。吸收池長度為0.5m，折返后光程長度為1m，兩端采用CaF₂材料光學窗，適合紅外光透過，且采用10°傾角的空間結構，有效的避免反射光干涉造成的標準具干擾。

本系統的氣體吸收池采用了近年新興的直角棱鏡結構作為反射元件，該元件無需精密調節，在較大空間移動的情況下都不會影響系統的光學反射，操作方便且抗震性非常好。實驗證明，本氣體吸收池只需對探測器一端進行調節，操作簡便，結合離軸拋物鏡的使用將光束匯聚到垂直方向進行探測，有效的減少了光強損失。如圖2所示，圖2為本系統光路的示意圖，激光經過準直器聚焦后，將激光射入充有被測氣體吸收池，光經過角立方的平行反射作用再次通過吸收池后由離軸拋物鏡聚焦接收。攜帶有氣體吸收信息的光信號由探測器轉換為電信號后輸出。

在本實施例中，所述光電探測器是實驗系統中的信號探測部件，可將經過氣體吸收池的光信號轉換為電流信號。本系統選用武漢歐迪公司的PD500銦鎵砷光電二極管，光敏感應面直徑為0.3mm，響應度在0.9左右。具有光譜響應度曲線范圍寬(覆蓋900至1600nm)、暗電流低、可靠性較高等特點。

前置放大器選擇的是FEMTO公司生產的DLPCA-200型號的前置放大器，其電流轉換系數從1×10³～1×10¹¹V/A，精度為1％，適用于從直流到500kHz的頻率帶寬，低噪聲及可調偏壓，±3kV瞬態保護等使該放大器更加適應諧波檢測系統中微弱電流信號到電壓信號的放大轉化要求。

鎖相放大器選擇的FEMTO公司生產單LIA-MVD-200-H，體積小、重量輕，便于集成；標準的BNC接口及旋鈕式開關和選擇鍵，操作簡單；X、Y、R的多信號輸出豐富了用戶的選擇；還具有頻率范圍寬(50Hz～120kHz)，輸入電流范圍(30p～10μA)及電壓范圍(3μV～1V)寬；靈敏度、動態余量、相位調整精度、探測精度、響應時間等系數均為較高水平的優點。

在本實施例中，所述數據采集卡采用的是美國NI公司生產的NI 9222數據采集卡。它是16位的高速同步模擬采集卡，其最高采樣率是500kSa/S，模擬輸入通道是4路，分辨率是16位，它的輸入電壓是±10V。系統中采用兩通道，采樣率3kSa/S；上位機中利用LabVIEW2012軟件對兩路波形進行采集，利用Matlab程序對數據進行后續處理。

在本實施例中，所述傳輸單元還包括樣氣過濾設備和尾氣處理設備，所述氣路系統與樣 氣過濾設備的輸出端相連接設置，該氣路系統的輸出端與尾氣處理設備的輸入端相連接設置，所述樣氣過濾設備可以濾除掉樣氣中的顆粒物及油污，過濾后的被測氣體進入氣路系統中，尾氣排入尾氣處理設備，經尾氣處理設備處理后排出。

樣氣過濾裝置關鍵部件中過濾芯材質采用三氧化二鋁與二氧化硅為主要基質的燒結材料，對NH₃氣體預處理過濾中損耗較低，并可大幅度降燃燒低顆粒物及油污干擾。

如圖3所示，所述氣體吸收池的進氣端通過球閥、減壓閥與氣路系統相連接設置，該氣體吸收池的進氣端還通過球閥、減壓閥與零氣相連接設置，氣體吸收池的進氣端與球閥之間設置帶負壓的壓力表，該氣體吸收池的出氣端通過球閥與氣泵相連接設置，該氣泵可將氣體吸收池內的氣體抽出，結合壓力表觀察池內負壓，幫助將池內無用氣體更有效的排出。

本系統的工作流程大致為：驅動板卡驅動激光器輸出激光，對氣體吸收池中的氣體進行監測，上位機進行整體系統監控。該系統進行氣體濃度檢測的過程為：①激光器輸出波長范圍根據被測氣體的需要結合生產廠家的制作工藝進行選擇，再利用可調諧激光器的溫度粗調功能將二極管出射激光的中心波長定位在被測氣體吸收峰1512nm附近處。②為激光器提供一個鋸齒波低頻調制信號，調制激光波長慢慢掃描過氣體的吸收峰；另外疊加一個正弦波高頻調制信號用來產生諧波調制信號。③激光器發出的激光入射到通有被測氣體的氣體吸收池，激光經角立方結構平行反射后由光電探測器接收并轉化為電信號。④攜帶有氣體吸收信息的電信號經前置放大器放大后由鎖相放大器解調出二次諧波信號，利用數據采集卡得到數字信號，利用上位機進行后續的分析處理反演出被測氣體濃度值。