光电传感与检测技术 第5章 激光传感与检测技术.pptxVIP

光电传感与检测技术

第5章激光传感与检测技术5.1激光气体检测系统设计5.2基于激光平面干涉技术的元件面形偏差检测系统设计5.3光刻机调焦调平激光检测系统设计5.4激光风力发电风速检测系统设计5.5基于虚拟仪器的激光打靶系统设计5.6激光条码扫描系统设计

5.1激光气体检测系统设计1.TDLAS技术的检测原理2.TDLAS技术的特点3.TDLAS激光CH4气体检测系统硬件设计4.TDLAS激光CH4气体检测系统软件设计

5.1激光气体检测系统设计图5-1激光现场在线气体分析仪的构成示意图

5.1激光气体检测系统设计 表5-1激光采样在线气体分析仪部分技术指标表5-1激光采样在线气体分析仪部分技术指标

1.TDLAS技术的检测原理

1.TDLAS技术的检测原理图5-2被测气体的吸收单线光谱示意图

2.TDLAS技术的特点(1)不受背景气体的影响(2)不受粉尘与视窗污染的影响(3)可消除被测气体环境参数变化的影响

(1)不受背景气体的影响图5-3激光的“单线光谱”测量原理图

(2)不受粉尘与视窗污染的影响传统非色散光谱气体分析技术使用固定波长光源，测量获得的是光通道内粉尘和气体的总透光率，无法区分粉尘透光率和被测气体的透光率；在实际气体体积分数未变的情况下，光通道内粉尘体积分数增加表现为光传感信号的减小，这时就会得到比实际气体体积分数高的错误测量值。而TDLAS技术能自动修正粉尘和视窗污染产生的光强衰减对气体体积分数测量的影响。该技术通过调节将激光频率调整对应到此被测气体吸收谱线的中央频率处，然后周期性地调制激光器的工作电流，使激光频率周期性地扫描过被测气体吸收谱线。

(2)不受粉尘与视窗污染的影响激光频率的扫描范围被设置成大于被测气体吸收谱线的宽度，从而在一次频率扫描范围中包含有不被气体吸收谱线衰减的“Ⅰ”区和被气体吸收谱线衰减的“Ⅱ”区。从“Ⅰ”区得到的测量信号可以获得粉尘的透光率，从“Ⅱ”区得到的测量信号可以获得粉尘和被测气体的总透光率。整个激光频率扫描范围非常小，在这么小的频率范围内，粉尘等颗粒物对激光的衰减特性不会发生变化。因此,TDLAS技术通过在一个激光频率扫描周期内对“Ⅰ”、“Ⅱ”两区的同时测量可以准确获得被测气体的透光率。气体的体积分数是由透射光强的二次谐波信号与直流信号的比值来决定的。当激光传输光路中的粉尘或视窗污染产生光强衰减时,两信号会等比例下降,从而保持比值不变。因此，粉尘和视窗污染对于仪器的测量结果没有影响。

(3)可消除被测气体环境参数变化的影响图5-4气体环境参数变化对谱线展宽的影响示意图

3.TDLAS激光CH4气体检测系统硬件设计(1)半导体激光器驱动调制单元(2)信号处理单元和锁相放大单元(3)吹扫单元(4)机械连接单元

3.TDLAS激光CH4气体检测系统硬件设计图5-5TDLAS激光C气体检测系统结构示意图

(1)半导体激光器驱动调制单元

(2)信号处理单元和锁相放大单元

(2)信号处理单元和锁相放大单元

(2)信号处理单元和锁相放大单元图5-6移相电路原理图

(2)信号处理单元和锁相放大单元图5-7AD630内部结构图以及引脚图

(2)信号处理单元和锁相放大单元图5-8调制器应用原理图

(3)吹扫单元吹扫单元主要包括气泵、精密过滤器、减压阀、流量计、光学视窗、导气管、三通阀、电磁阀、箱体等。被测气体在管道中通常是与其他气体、液态物质(如焦油)及粉尘等污染物混合在一起，而且有时该混合物质具有高温或高压的特性。当TDLAS激光CH4气体检测系统在现场在线测量时，为防止被测环境对半导体激光器、光束准直透镜、透镜和光电探测器造成损害，必须在光束准直透镜和透镜前设置光学视窗。此外，为防止被测环境中污染物污染装置上的光学视窗，在这两个光学视窗处都配备了气体吹扫接口，该接口用于接入干净的气体。由气泵及精密过滤器和减压阀连续提供干净且干燥的压缩空气或氮气，这些气体在光学视窗前形成一层干净气幕以保护光学视窗。

(4)机械连接单元机械连接单元主要包括根部阀、焊接法兰、仪器法兰及标定时的需用的标定管和针阀等。在被测气体管道相对的两侧对称开两个圆孔，并焊接两个DN50焊接法兰，将根部阀(可选)和仪器法兰安装到焊接法兰上，半导体激光器驱动调制单元、半导体激光器、光束准直透镜、光束会聚透镜、光电探测器、信号处理单元通过自身锁箍安装到两侧的仪器法兰上。安装调试时要对激光光束经过的光轴进行对准，并使该光轴垂直于光电探测器的光敏面，以减小测量光路造成的测量误差。标定时，需要关闭根部阀，将标定管安装好，通入标气，通过人机界面操作菜单完成标定。

4.TDLAS激光CH4气体检测系统软件设计图5-9软件的结构图

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