激光分析仪技术原理 PPT课件

DLAS技术
使用半导体激光器作为光源
单色性好，即光的波长宽度窄。<0.0001nm，传统红外 光源一般在20-30nm左右
可调制扫描
绝大部分光属于红外区域，
波长范围750-2000nm左右。
激光波 长范围
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小结
基于吸收光谱技术，直接测量的是吸收率 浓度测量值和四个因素相关：吸收率、温度、压力、
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技术比较-传统光谱技术
指标 预处理系 统 测量方式 气体环境
响应速度
准确性
连续性 可靠性 介质干扰 尾气排放 标定维护
运行费用
LGA-2000激光现场在线气体分析仪
传统光谱在线气体分析仪
不需要
必需
现场、连续、实时测量
采样预处理后间断测量
高温、高粉尘、高水分、高流速、强腐蚀等恶 劣环境适应能力强
只能测量恒温、恒压、恒流、干燥及无粉尘的气体
快：仅取决于仪表响应时间，<1秒
实地测量，气体信息不失真；测量值为气体线 平均浓度；不受背景气体、粉尘及气体参数影 响 连续测量 无运动部件，可靠性高
慢：取决于采样处理时间、样品气传输时间和仪表 响应时间，>20秒
能级的概念
E2 - E1 = hn
光子
分子能量表现
E2
能级跃迁
E1
旋转
4
振动
电子跃迁
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分子光谱
每两个能级对应一根吸收谱线 在低分辨率光谱上表现为谱带
Linestrength [atm-1cm-2] Absorbance [cm-1]
不受背景气体交叉干扰 不受测量现场粉尘等颗粒物干扰 不受气体参数（温度、压力等）变化的影响
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“单线光谱”技术
x10-6 x10-6
60 50 40 30 20 10
0 7870
7880
传统光源波长宽度
7890
7900
Frequency (cm-1)
百度文库100
CO2
10-5
100 10-2 10-4 1100-62 100 1v (4.6 m) 10-2 10-4
H2O
R branch 2v (2.3m)
CO 3v (1.55 m)
2000
4000
6000
Frequency
[cm-1]
8000
5
5x10-6
10 ppm CO @1atm, 300K
方法） 气相色谱：利用色谱柱进行分离，进行分析
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半导体激光器
按激光器类型
端面发射激光器（DFB, DBR） 垂直腔表面发射激光器 (VCSEL）
按激光的传输方式
光纤式 非光纤式
按测量气体
测量O2 76X nm 波段（可见光） 测量CO，CO2 15XX nm 波段 测量HCL 17XXnm 波段 测量CH4 16XXnm 波段 测量H20 近红外
调制光谱技术
半导体激光器调制特性
电流波长调谐技术 抗粉尘测量 相敏检测技术 提高探测灵敏度
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2f trace [a.u.]
环境因素修正
0.25 Increasing pressure (P = 3.4, 4.8, 6.3, 7.6, 8.9, 10.5 bar)
光程 光源是用半导体激光： 波段窄，可调制
技术上的特点决定了安装测量方式：原位测量
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原位分析
发射单元
L 接收单元
过程气体
半导体激光 驱动电路
数据分析 及控制
中央分析仪器元
数据采集
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7910
60
50
激光器波长宽度
40
30
20
10
7920
0 7884.0
7884.2
7884.4
Frequency (cm-1)
7884.6
单线光谱技术无交叉气体干扰：
激光谱宽非常窄（单色性好）
激光频率扫描范围内只有被测气体吸收谱线
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DLAS技术难点
激光器和谱线的选择； 温度，压力展宽的补偿； 弱信号检测技术（吸收率探测下限） 不同应用工况的解决方案；
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标定：2~3次/月； 维护：经常
运行费用接近于零（仅为电费）
年费用一般为系统成本的20%左右
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技术比较
与常规的气体检测方法相比
热导式：利用气体（主要是H2）导热特性进行监测 磁氧表：是利用氧顺磁性 氧化锆：利用氧浓度差电池效应；－>（其他的电化学
公式说明
线型函数Φ
产生原因：测不准原理 影响因素：温度/压力 归一性：面积不变
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DLAS技术
DLAS——Diode Laser Absorption Spectroscopy 半导体激光吸收光谱
与传统吸收光谱相似，基于受激吸收效应并遵循Beer – Lambert公式
FOCUSED PHOTONICS INC
DLAS技术原理培训
市场部-许鹏
产品基本情况
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吸收光谱技术
吸收光谱技术 半导体激光吸收光谱（DLAS）技术
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吸收光谱技术
v
关键因素Ｘ＝F(Absorbance,T,P,L)
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公式说明
在波长一定的情况下，S线强由两方面因素决定：
① 分子跃迁上，下能级的波函数 —由分子结构等性质决定
② 分子的集居（Population) —与温度相关
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采用半导体激光器为光源，并可采用调制吸收光谱技术 （TDLAS）
发展历史：
上世纪六十年代，激光器发明 上世纪七、八十年代，激光吸收光谱技术逐步应用于科学实验的精密测量 上世纪九十年代，半导体激光器和光纤元件大规模商用化 上世纪九十年代，欧美国家开始DLAS技术产业化研究
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4
3
2
1
10000
0
4200
4240
4280
Frequency [cm-1]
4320
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浓度测量公式
测量基本公式
吸收率absorbance
透过率曲线
T (v)
ln( I ) ln( I )d
X
I0
I0
(1.2)
PSL
PSL
v0
原位分析 VS 采样分析
采样分析
获得样本 预处理 分 析
众多缺点：
• 系统复杂、故障率高 • 探头腐蚀、堵塞 • 长时间滞后 • 经常性的标定
原位分析
现场直接分析过程气体 针对测量工艺的定制化开
发
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原位测量必须解决三个问题
溶解吸附泄漏导致气体信息失真；测量值为探头位 置局部浓度；背景气体、粉尘及气体参数影响测量 的准确性
间断测量：反吹时无法测量
较多运动部件，可靠性低
不受背景气体交叉干扰；自动修正粉尘及光学 受背景气体的交叉干扰，无法定量修正粉尘及光学
视窗污染干扰
视窗污染干扰
无，安全无污染
有，危险有污染
标定：<2次/年； 维护：<2次/年，系统自动提示
0.20
R7Q8
R7R7
(13142.584 cm-1)
(13140.568 cm-1)
0.15
0.10
0.05
0.00
-0.05
-0.10
0
2
4
6
8 10 12 14 16
Time [ms]
测量气体的温度、压 力等环境参数影响气体 吸收谱线展宽 通过展宽补偿技术可 进行精确补偿： 单线光谱数据 针对测量工艺的展宽 补偿