高速TDLAS汽車尾氣濃度檢測系統 - 筱曉光子

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。

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。

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。

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。

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)。