高速TDLAS汽车尾气浓度检测系统 - 筱晓光子实验分析⑧

2021-10-26 09:04:51

汽车尾气带来的环境污染随着社会发展已经日益严重。其中，汽车排放的二氧化碳(CO2)是温室效应的罪魁祸首，还有CO等有毒气体，对人类的健康危害巨大。因此，汽车尾气浓度检测系统应运而生。

设计一套汽车尾气浓度检测系统，需要确保测量过程中的高灵敏性、实时性以及高集成性。我们使用1579.7nm DFB激光器、超快光电探测器、锁相放大器，10 cm光程气室搭建了1579.7nm的CO&CO2双峰高速TDLAS系统，利用二次谐波法抑制了气流等低频噪声对气体微量吸收的影响，保证测量的高灵敏，利用锁相放大器进行高速扫描，1秒20次的浓度采样速率可以应对路面上瞬息万变的车辆情况，保证了系统的实时性，利用1579.7nm的C0&C02双峰，可以实现一个光源同时测量两种气体浓度，体现了该系统的高集成性。

高速TDLAS汽车尾气浓度检测系统的搭建如下图所示，1579.7、nm激光由锁相放大器调制后，通过准直镜变为空间光，穿过10cm气室（通入了一定浓度的CO&CO2气体），并用超快光电探测器将其转换为电信号后送入锁相放大器进行解调。

锁相放大器内部的配置如下，需要使用三个通道：第一个通道输出低频正弦波，用于激光扫频（图中为0.5HZ），第二个通道输出20kHz正弦波，用于激光调制，将这两个信号叠加后一起输出到激光驱动调制端口，第三个通道输入光电探测器探测到的电信号，和40kHz信号（二次谐波）混频解调，得到TDLAS信号。

得到的解调信号如下所示，可以看到CO和CO2两种气体的吸收峰会在该波段同时出现，然后通过定标与实时监测，就可以实现对汽车尾气浓度的快速探测了。

由于受限于光程的长度（0.1m），吸收峰不是很明显，气体浓度为16%（CO2）、10%（CO），扫描速度为2秒扫描一个来回。因此，我们更换了0.2m光程的气室，吸收峰变大，扫描速度可以加快到1秒10个周期(20次扫描)。