激光分析仪技术原理课件.ppt

1、FOCUSED PHOTONICS INC 6/2/20226/2/2022DLAS技术原理培训技术原理培训 市场部市场部-许鹏许鹏 Copyright 2005 FPI inc, all right.2产品基本情况产品基本情况 Copyright 2005 FPI inc, all right.3吸收光谱技术吸收光谱技术q吸收光谱技术吸收光谱技术q半导体激光吸收光谱（半导体激光吸收光谱（DLAS）技术）技术 Copyright 2005 FPI inc, all right.4吸收光谱技术吸收光谱技术E1E2光子能级跃迁q能级的概念能级的概念E2 - E1 = hnq分子能量表现分子能量表现

2、旋转振动电子跃迁 Copyright 2005 FPI inc, all right.5分子光谱分子光谱10-410-2100102 Linestrength atm-1cm-2100008000600040002000Frequency cm-110-610-410-210010-5100COCO2H2O1v (4.6 m)2v (2.3m)3v (1.55 m)R branchq每两个能级对应一根吸收谱线每两个能级对应一根吸收谱线q在低分辨率光谱上表现为谱带在低分辨率光谱上表现为谱带5x10-6 43210Absorbance cm-14320428042404200Frequency c

3、m-110 ppm CO 1atm, 300K Copyright 2005 FPI inc, all right.6浓度测量公式浓度测量公式透过率曲线)(vTv 0vq测量基本公式测量基本公式吸收率吸收率absorbance00ln()ln()(1.2)IIdIIXPSLPSLq关键因素关键因素F(AbsorbanceF(Absorbance, ,T,P,L)T,P,L) Copyright 2005 FPI inc, all right.7公式说明公式说明q在波长一定的情况下，在波长一定的情况下，S线强由两方面因素决定：线强由两方面因素决定： 分子跃迁上，下能级的波函数分子跃迁上，下能级的

4、波函数 由分子结构等性质决定由分子结构等性质决定 分子的集居（分子的集居（Population)Population) 与温度相关与温度相关 Copyright 2005 FPI inc, all right.8公式说明公式说明q线线 型型 函函 数数 w 产生原因：测不准原理产生原因：测不准原理w 影响因素：温度影响因素：温度/ /压力压力w 归一性：面积不变归一性：面积不变 Copyright 2005 FPI inc, all right.9DLAS技术技术qDLASDiode Laser Absorption Spectroscopy 半导体激光吸收光谱半导体激光吸收光谱w 与传统吸收

5、光谱相似，基于受激吸收效应并遵循与传统吸收光谱相似，基于受激吸收效应并遵循Beer Lambert公式公式w 采用半导体激光器为光源，并可采用调制吸收光谱技术采用半导体激光器为光源，并可采用调制吸收光谱技术（TDLAS）q发展历史：发展历史：w 上世纪六十年代，激光器发明上世纪六十年代，激光器发明w 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w 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，半导体激光器和光纤元件大规模商用化w 上世纪九十年代，欧美国家开始上世纪九十年代，欧美国家开始DLA

6、S技术产业化研究技术产业化研究 Copyright 2005 FPI inc, all right.10DLAS技术技术q使用半导体激光器作为光源使用半导体激光器作为光源w 单色性好，即光的波长宽度窄。单色性好，即光的波长宽度窄。0.0001nm，传统红外，传统红外光源一般在光源一般在20-30nm左右左右w 可调制扫描可调制扫描q绝大部分光属于红外区域，绝大部分光属于红外区域，w 波长范围波长范围750-2000nm左右。左右。激光波长范围 Copyright 2005 FPI inc, all right.11小结小结q基于吸收光谱技术，直接测量的是吸收率基于吸收光谱技术，直接测量的是吸收

7、率q浓度测量值和四个因素相关：吸收率、温度、压力、浓度测量值和四个因素相关：吸收率、温度、压力、光程光程q光源是用半导体激光：光源是用半导体激光： 波段窄，可调制波段窄，可调制q技术上的特点决定了安装测量方式：原位测量技术上的特点决定了安装测量方式：原位测量 Copyright 2005 FPI inc, all right.12原位分析原位分析L发射单元接收单元过程气体中央分析仪器元半导体激光驱动电路数据分析及控制数据采集 Copyright 2005 FPI inc, all right.13原位分析原位分析 VS 采样分析采样分析q采样分析采样分析w 获得样本获得样本 预处理预处理 分分

8、析析w 众多缺点：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q原位分析原位分析w 现场直接分析过程气体现场直接分析过程气体w 针对测量工艺的定制化开针对测量工艺的定制化开发发 Copyright 2005 FPI inc, all right.14原位测量必须解决三个问题原位测量必须解决三个问题q不受背景气体交叉干扰不受背景气体交叉干扰 q不受测量现场粉尘等颗粒物干扰不受测量现场粉尘等颗粒物干扰q不受气体参数（温度、压力等）变化的影响不受气体参数（温度、压力等）变化的影响 Copyright 2005 FPI inc, all right.156050403020

9、100 x10-6 792079107900789078807870Frequency (cm-1)“单线光谱单线光谱”技术技术传统光源波长宽度6050403020100 x10-6 7884.67884.47884.27884.0Frequency (cm-1)激光器波长宽度 q单线光谱技术无交叉气体干扰：单线光谱技术无交叉气体干扰：w激光谱宽非常窄（单色性好）激光谱宽非常窄（单色性好）w激光频率扫描范围内只有被测气体吸收谱线激光频率扫描范围内只有被测气体吸收谱线 Copyright 2005 FPI inc, all right.16调制光谱技术调制光谱技术q半导体激光器调制特性半导体激光

10、器调制特性 w电流波长调谐技术电流波长调谐技术 抗粉尘测量抗粉尘测量w相敏检测技术相敏检测技术 提高探测灵敏度提高探测灵敏度 Copyright 2005 FPI inc, all right.17环境因素修正环境因素修正0.250.200.150.100.050.00-0.05-0.102f trace a.u.1614121086420 Time msR7R7(13140.568 cm-1)R7Q8(13142.584 cm-1)Increasing pressure (P = 3.4, 4.8, 6.3, 7.6, 8.9, 10.5 bar)q测量气体的温度、压测量气体的温度、压力等环

11、境参数影响气体力等环境参数影响气体吸收谱线展宽吸收谱线展宽q通过展宽补偿技术可通过展宽补偿技术可进行精确补偿：进行精确补偿：q单线光谱数据单线光谱数据q针对测量工艺的展宽针对测量工艺的展宽补偿补偿 Copyright 2005 FPI inc, all right.18 技术比较技术比较-传统光谱技术传统光谱技术指标LGA-2000激光现场在线气体分析仪传统光谱在线气体分析仪预处理系统不需要 必需测量方式现场、连续、实时测量采样预处理后间断测量气体环境 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 响应速度快：仅取决于仪表响应时间，20

12、秒准确性实地测量，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连续性连续测量间断测量：反吹时无法测量可靠性无运动部件，可靠性高较多运动部件，可靠性低介质干扰不受背景气体交叉干扰；自动修正粉尘及光学视窗污染干扰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尾气排放无，安全无污染有，危险有污染标定维护标定：2次/年；维护：（其他的电化学（其他的电化学方法）方法）w 气相色谱：利用色谱柱进行分离，进行分析气相色谱：利用色谱柱进行分离，进行分析 Copyright 20

13、05 FPI inc, all right.20半导体激光器半导体激光器q按激光器类型按激光器类型w端面发射激光器（端面发射激光器（DFB, DBR）w垂直腔表面发射激光器垂直腔表面发射激光器 (VCSEL）q按激光的传输方式按激光的传输方式 w光纤式光纤式w非光纤式非光纤式q按测量气体按测量气体w 测量测量O2 76X nm 波段（可见光）波段（可见光）w 测量测量CO，CO2 15XX nm 波段波段w 测量测量HCL 17XXnm 波段波段w 测量测量CH4 16XXnm 波段波段w 测量测量H20 近红外近红外 Copyright 2005 FPI inc, all right.21DLAS技术难点技术难点q激光器和谱线的选择；激光器和谱线的选择；q温度，压力展宽的补偿；温度，压力展宽的补偿；q弱信号检测技术（吸收率探测下限）弱信号检测技术（吸收率探测下限）q不同应用工况的解决方案；不同应用工况的解决方案；