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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
光学 精密工程  
Vol. 26 No. 8  
Aug. 2018  
Optics and Precision Engineering  
2018  
8
1004-924X( 2018) 08-1855-07  
文章编号  
TDLAS ICL  
紧凑气体探测系统  
于  
134  
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 生物与农工程学院 吉林 长春  
: 、 、 ,  
摘要 为了于可调谐激吸收的高检测灵敏度 小型红外痕量气体传感器设计 结镓  
( GaSb) ICL ( MPC) TDLAS  
紧凑反射气体吸收气室  
研制不同传感光学小型  
传感系统 个  
( CH O)  
和单系统性  
2
3. 7 W,  
甲烷  
( CH )  
4
传感光学消耗为  
: CH  
醛  
CH O  
2
5. 0 nL/L  
3. 0 nL/L1. 4 nL/L  
为 和  
实验明  
系统检测敏度为  
4
1. 0 nL/L。  
、  
外 相下将系统应用于烷  
( C H )  
6
、  
检测 过对环境进行连  
2
66 h  
, ,  
验 验了设计紧凑红外痕量气体检测系统能够有效基本满足用气体量  
、 、  
干扰求  
: ; ; ; ;  
传感半导体激器 量子级联 光谱 红外  
: 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  
134  
2
3
1*  
LI Chun-guang  
DONG Lei WANG Yi-ding LIN Jun  
( 1. College of Instrumentation & Electrical EngineeringJilin UniversityChangchun 130061China;  
2. State Key Laboratory of Quantum Optics and Quantum Optics DevicesInstitute of Laser  
SpectroscopyShanxi UniversityTaiyuan 030006China;  
3. State Key Laboratory on Integrated OptoelectronicsCollege of Electronic Science and  
EngineeringJilin UniversityChangchun 130012China;  
4. College of Biological and Agricultural EngineeringJilin UniversityChangchun 130022China)  
* Corresponding authorE-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 博士创新支持项目  
( No. 616225036157511361307124No. 61805099)  
:
( No. BX201700100) ;  
( No. 2017M621206) ;  
中国博士科学基金资助项目  
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 measurementswith 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 measurementsrespectively. 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-contactonlinereal-timehigh-precisionand rapid signal acquisitionas well as strong anti-  
jamming and high stability.  
Key words: laser sensors; semiconductor lasers; quantum cascade; spectroscopy; infrared  
16-17]  
2013  
MPC  
年研制了体的新型  
相较  
MPC  
使此  
MPC  
统  
1
引 言  
使密集的光使光  
量气体传感的多化应用包括环境测  
少  
CH CH O  
4 2  
C H  
气体检测验光学  
6
工业气体浓度检测和用于医疗诊测  
使用  
2
应用中 对浓度量气体进行快  
CH ,  
传感器室效贡献者 并且  
4
、 。  
准确和重要的 可调谐二极  
、 、  
生产 煤矿勘甲烷  
( Tunable Diode Laser Absorption  
C H  
多工业过程的隐患  
2
管激吸收谱  
SpectroscopyTDLAS)  
气  
6
甲烷的第大组分 且影响气化和气  
气体  
组成的于它的光辨率普勒  
,  
因此 乡镇甲烷和乙是  
18-19]  
线因此可量气体合成进  
CH O  
是在工业消费中  
重要的  
物质 因为它具高的应和较  
2100  
2
1-4]  
使用  
有效别和量  
TDLAS  
术可以选择量气体进  
业产生的  
万吨  
5]  
nL/L  
TDLAS  
于  
用作板胶黏剂 鉴作  
的实测  
20-21]  
测其室浓度水平具有重要意义  
传感器于进行具体气体传感应用的  
3
m
μ
红外单模  
光光波长至  
二极管广泛应用于工业  
( QCLs)  
6-7]  
2
传感设计  
红外单模 级联器  
波长至  
8]  
3. 7  
m
μ
使得  
3 ~ 3. 7  
m
μ
21  
波长红外区  
双层结构学核设计  
醛  
( CH O )  
2
( CH ) 、  
烷  
4
ICL  
使源  
甲 烷  
( C H ) 、  
烷  
3
( C H )  
2 6  
( C H )  
3 6  
( Nanoplus GmbHGermany) ICL  
TO-66  
烯  
大多数碳  
取  
8
单 模 出 射 红 外 光 的 中 波 长 为  
气体组分在这个的  
- 1  
3 291 nm( 3 038. 5 cm ) 5 cm ×  
封 入  
吸收性 因为它的基吸收里  
( GaSb) 3 ~ 4 m  
5 cm × 5 cm( Thermo-electric Cool-  
电制冷  
于单模 镓  
的  
μ
( Interband Cascade LserICL)  
erTEC) 。  
热器 为了甲烷传感器  
带级联器  
TDLAS  
于  
商  
传感应用 其是化  
尺寸设计了光学系统包  
9-14]  
ICLs  
QCLs  
图如图  
1( a) ICL、  
直  
测开创新的会  
尺寸 水平作于室  
( Layer 1) 。  
和二层  
过  
15]  
( ISO opticsmodel BSP-DI-25-3)  
续模式  
镜  
进行  
光  
( M2)  
TDLAS  
水平成  
45°  
( M1)  
镜  
于  
体吸收气室  
MPC)  
传感器尺寸反  
( Multipass gas absorption Cell,  
( Layer 2) ,  
镜  
层  
光  
( Layer 2)  
束从方向转换到水平方向 层  
气体处理系统  
Sentinel Photonics/Aeris Technologies  
MPC、  
红外器  
( MCT)  
等  
公 司 于  
还包括  

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