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基于TDLAS和ICL的紧凑中红外痕量气体探测系统

更新时间：2019-12-30 11:07:10 大小：2M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：气体探测系统 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

为了实现基于可调谐激光吸收光谱技术的高检测灵敏度、低功耗、小型中红外痕量气体传感器设计,结合锑化镓(GaSb)ICL和紧凑型多反射气体吸收气室(MPC)研制了基于不同结构传感光学核的两个小型TDLAS传感系统。两个传感光学核的总功率消耗为3.7 W,并通过探测甲烷(CH4)和甲醛(CH2O)分别验证了双层结构和单层结构系统的性能。实验结果表明:CH4和CH2O系统的检测灵敏度分别为5.0nL/L和3.0nL/L,测量精度分别为1.4nL/L和1.0nL/L。此外,相同配置情况下将两种结构系统应用于甲、乙烷(C2H6)同步检测,通过对校园环境中甲、乙烷进行连续66h的监测试验,验证了设计的紧凑型中红外痕量气体检测系统能够稳定有效地工作,基本满足目前民用气体测量的稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。


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1577675223基于TDLAS和ICL的紧凑中红外痕量气体探测系统.pdf 2M

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26  
8
期
第
卷
第
光学 精密工程  
Vol． 26 No． 8  
Aug． 2018  
Optics and Precision Engineering  
2018  
8
月
年
1004-924X( 2018) 08-1855-07  
文章编号  
TDLAS ICL  
和 的紧凑中红外痕量气体探测系统  
基于  
1，3，4  
2
3
1*  
， ， ，  
董 磊 王一丁 林 君  
李春光  
( 1．  
，
吉林大学 仪器科学与电气工程学院 吉林 长春  
130061;  
2．  
3．  
，
山西大学 激光光谱研究所 量子光学与光量子器件国家重点实验室 山西 太原  
030006;  
130012;  
，
吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点联合实验室 吉林 长春  
4． ， 130022)  
吉林大学 生物与农业工程学院 吉林 长春  
: 、 、 ，  
摘要 为了实现基于可调谐激光吸收光谱技术的高检测灵敏度 低功耗 小型中红外痕量气体传感器设计 结合锑化镓  
( GaSb) ICL ( MPC) TDLAS  
。
和紧凑型多反射气体吸收气室  
研制了基于不同结构传感光学核的两个小型  
传感系统 两个  
( CH O)  
分别验证了双层结构和单层结构系统的性  
2
3． 7 W，  
并通过探测甲烷  
( CH )  
4
传感光学核的总功率消耗为  
: CH  
和甲醛  
。
CH O  
2
5． 0 nL/L  
3． 0 nL/L， 1． 4 nL/L  
测量精度分别为 和  
能
实验结果表明  
和
系统的检测灵敏度分别为  
和
4
1． 0 nL/L。  
， 、  
此外 相同配置情况下将两种结构系统应用于甲 乙烷  
( C H )  
6
， 、  
同步检测 通过对校园环境中甲 乙烷进行连  
2
66 h  
， ，  
的监测试验 验证了设计的紧凑型中红外痕量气体检测系统能够稳定有效地工作 基本满足目前民用气体测量  
续
、 、  
的稳定可靠 精度高 抗干扰能力强等要求  
。
: ; ; ; ;  
词 激光传感器 半导体激光器 量子级联 光谱 红外  
关
键
: O657． 38 : A doi: 10． 3788 /OPE． 20182608． 1855  
文献标识码  
中图分类号  
Compact mid-infrared trace gas detection system  
based on TDLAS and ICL  
1，3，4  
2
3
1*  
LI Chun-guang  
，DONG Lei ，WANG Yi-ding ，LIN Jun  
( 1． College of Instrumentation ＆ Electrical Engineering，Jilin University，Changchun 130061，China;  
2． State Key Laboratory of Quantum Optics and Quantum Optics Devices，Institute of Laser  
Spectroscopy，Shanxi University，Taiyuan 030006，China;  
3． State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics，College of Electronic Science and  
Engineering，Jilin University，Changchun 130012，China;  
4． College of Biological and Agricultural Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China)  
* Corresponding author，E-mail: lin_jun@ jlu． edu． cn  
Abstract: Two compact Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy ( TDLAS) sensor systems were devel-  
oped based on different structural optical cores． The two optical cores combine two recent developments; galli-  
um antimonide ( GaSb) -based ICL and a compact multipass gas cell ( MPC) ，with the aim of developing a  
compact TDLAS-based sensor for mid-IR gas detection with high detection sensitivity and low power consump-  
: 2018-04-23;  
: 2018-05-29．  
收稿日期  
修订日期  
基金项目 博士后创新人才支持计划项目  
( No． 61622503，61575113，61307124，No． 61805099)  
:
( No． BX201700100) ;  
( No． 2017M621206) ;  
中国博士后科学基金资助项目  
国家自然科学基金资助项目  
1856  
光学 精密工程  
26  
第 卷  
tion． The two-floor structure sensor was used for methane ( CH ) measurements and the single-floor structure  
4
sensor was used for formaldehyde ( CH O) concentration measurements，with the two optical sensor cores con-  
2
suming 3． 7 W of power． Detection limits of ～ 5 nL/L and ～ 3 nL/L with measurement precisions of ～ 1． 4  
nL/L and ～ 1 nL/L were achieved for CH and CH O concentration measurements，respectively． In addition，  
4 2  
the two-structure system was used for CH and C H detection under the same conditions over a period of 66 h  
4 2 6  
campus． The results show that the sensors worked steadily and effectively． They can satisfy the system require-  
ments of non-contact，online，real-time，high-precision，and rapid signal acquisition，as well as strong anti-  
jamming and high stability．  
Key words: laser sensors; semiconductor lasers; quantum cascade; spectroscopy; infrared  
［16-17］  
2013  
MPC  
。
年研制了体积更小的新型  
相较  
， MPC  
使用的圆形和椭球形光斑 此  
MPC  
于传统  
1
引 言  
，
使用两个凹球面镜和更复杂密集的光斑 使得光  
、
。
痕量气体传感的多样化应用包括环境监测  
斑重叠明显减少  
CH 、CH O  
4 2  
C H  
气体检测验证光学  
6
工业区气体浓度检测和用于医疗诊断的呼气探测  
使用  
和
2
。
，
这些应用中 对低浓度多样痕量气体进行快  
。CH ，  
传感器性能 是温室效应的主要贡献者 并且  
4
等
、 。  
速 准确和精细测量是至关重要的 可调谐二极  
、 、  
是天然气生产 存贮和运输 煤矿勘探和液化甲烷  
( Tunable Diode Laser Absorption  
。C H  
等众多工业过程的主要安全隐患  
2
管激光吸收光谱  
Spectroscopy，TDLAS)  
是天然气  
6
，
中除甲烷外的第二大组分 且影响大气化学和气  
是一种用于实时分析气体  
，
组成的通用工具 由于它的光谱分辨率比多普勒  
。 ，  
候 因此 在乡镇和城市监测甲烷和乙烷的能力是  
［18-19］  
，
线宽更窄 因此可对复杂的痕量气体混合成份进  
。CH O  
是在工业和消费产品中  
非常重要的  
常用的化学物质 因为它具有较高的化学反应和较  
2100  
2
［1-4］  
。
，
到目前为止 使用  
，
行有效识别和明确测量  
TDLAS  
。
，
技术可以有选择性地对痕量气体组份进  
好的热稳定性 目前 每年商业产生的  
万吨  
［5］  
nL/L  
。 ， TDLAS  
然而 基于  
。
的一半被用作人造板胶黏剂 鉴于甲醛的致癌作  
行
量级的实时探测  
［20-21］  
，
用 实时监测其室内浓度水平具有重要意义  
。
的传感器的性能依赖于进行具体气体传感应用的  
。
3
m
μ
、
的近红外单模  
相关激光光源 波长上至  
分布反馈激光二极管已广泛应用于工业  
( QCLs)  
［6-7］  
。
中
2
传感器设计  
、
红外单模 室温量子级联激光器  
波长下至  
［8］  
3． 7  
m
μ
，
这使得  
3 ～ 3． 7  
m
μ
2． 1  
波长成为中红外区  
双层结构光学核设计  
。
的缺 口 甲 醛  
( CH O )  
2
( CH ) 、  
丙 烷  
4
、 ICL  
使用连续波 分布反馈 作为系统光源  
和 甲 烷  
( C H ) 、  
乙烷  
3
( C H )  
2 6  
( C H )  
3 6  
( Nanoplus GmbH，Germany) ， ICL  
此
TO-66  
和丙烯  
等大多数碳  
采取  
8
，
封装形 式 单 模 出 射 中 红 外 光 的 中 心 波 长 为  
氢化合物多种气体组分在这个缺口处均有很强的  
－ 1  
，
。
3 291 nm( 3 038． 5 cm ) ， 5 cm ×  
内 部 封 入  
吸收特性 因为它们的基频吸收带就位于这里  
( GaSb) 3 ～ 4 m  
间
、
5 cm × 5 cm， ( Thermo-electric Cool-  
带有热电制冷  
随着基于单模 锑化镓  
材料的  
μ
( Interband Cascade Lser，ICL)  
er，TEC) 。  
的立方体散热器 为了减小甲烷传感器  
带级联激光器  
， TDLAS  
业化 给基于  
的商  
，
的传感应用 尤其是碳氢化  
，
的尺寸设计了三维折叠式光学路径 该系统共包  
［9-14］  
。ICLs  
QCLs  
，
括两层 原理框图如图  
1( a) 。ICL、  
所示 可见准直  
合物的探测开创了新的机会  
和
，
一样有很小的尺寸 并可在低功耗水平工作于室  
( Layer 1) 。  
光源和二向色镜处于底层  
二者通过  
［15］  
。
( ISO optics，model BSP-DI-25-3)  
温连续模式  
二向色镜  
进行  
将合束光  
( M2)  
TDLAS  
。
耦合 与水平面成  
45°  
( M1)  
的平面镜  
基于  
射气体吸收气室  
MPC)  
传感器的尺寸主要取决于多反  
( Multipass gas absorption Cell，  
( Layer 2) ，  
平面镜  
从底层折射到顶层  
将光  
。 ( Layer 2)  
束从垂直方向转换到水平方向 顶层  
。
占用的空间和相关联的气体处理系统  
美
Sentinel Photonics/Aeris Technologies  
MPC、  
中红外探测器  
( MCT)  
。
和透镜等  
国
公 司 于  
中还包括  

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