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高速TDLAS汽車尾氣濃度檢測系統 - 筱曉光子實驗分析⑧ 2021-10-26

汽車尾氣帶來的環境污染隨著社會發展已經日益嚴重。其中,汽車排放的二氧化碳(CO2)是溫室效應的罪魁禍首,還有CO等有毒氣體,對人類的健康危害巨大。因此,汽車尾氣濃度檢測系統應運而生。

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設計一套汽車尾氣濃度檢測系統,需要確保測量過程中的高靈敏性、實時性以及高集成性。我們使用1579.7nm DFB激光器、超快光電探測器、鎖相放大器,10 cm光程氣室搭建了1579.7nm的CO&CO2雙峰高速TDLAS系統,利用二次諧波法抑制了氣流等低頻噪聲對氣體微量吸收的影響,保證測量的高靈敏,利用鎖相放大器進行高速掃描,1秒20次的濃度采樣速率可以應對路面上瞬息萬變的車輛情況,保證了系統的實時性,利用1579.7nm的C0&C02雙峰,可以實現一個光源同時測量兩種氣體濃度,體現了該系統的高集成性。


高速TDLAS汽車尾氣濃度檢測系統的搭建如下圖所示,1579.7、nm激光由鎖相放大器調制后,通過準直鏡變為空間光,穿過10cm氣室(通入了一定濃度的CO&CO2氣體),并用超快光電探測器將其轉換為電信號后送入鎖相放大器進行解調。

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鎖相放大器內部的配置如下,需要使用三個通道:第一個通道輸出低頻正弦波,用于激光掃頻(圖中為0.5HZ),第二個通道輸出20kHz正弦波,用于激光調制,將這兩個信號疊加后一起輸出到激光驅動調制端口,第三個通道輸入光電探測器探測到的電信號,和40kHz信號(二次諧波)混頻解調,得到TDLAS信號。


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得到的解調信號如下所示,可以看到CO和CO2兩種氣體的吸收峰會在該波段同時出現,然后通過定標與實時監測,就可以實現對汽車尾氣濃度的快速探測了。


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由于受限于光程的長度(0.1m),吸收峰不是很明顯,氣體濃度為16%(CO2)、10%(CO),掃描速度為2秒掃描一個來回。因此,我們更換了0.2m光程的氣室,吸收峰變大,掃描速度可以加快到1秒10個周期(20次掃描)。

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