CN104458638A - 一种红外光谱双路测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光谱测量装置及方法，属于环境监测领域，具体涉及一种红外光谱双路测量装置及方法。该装置及方法采用“单检测器单吸收池”结构，降低了仪器成本，通过转镜式机构实现时间序列上的背景和样品测量，通过算法补偿采用单吸收池带来的光强衰减，保证测量结果的稳定可靠，并实现了测量的自动化，可实现开机即监测能力，适用于应急环境下的监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱测量装置及方法，属于环境监测领域，具体涉及一种红外光谱双路测量装置及方法。
背景技术
在大气污染气体的监测中，可根据物质对不同波长的红外辐射的吸收特性，进行分子结构和化学组成分析。传统的单光束测量装置如附图1所示，其光谱测量结果受光源稳定性影响较大，必须等光源稳定之后才可以测量，从开机到正式测量至少要等半小时，因此，不具备开机即检测能力；当测量过程中，若需要再次测量背景时，则必须中断当前的样品测量，需要人为参与，无法实现测量的自动化。
为了解决上述问题，现有技术中已经存在一些双光束测量装置。如附图2和附图3所示，现有技术中的双光束测量装置主要有“双吸收池单检测器”以及“双吸收池双检测器”两种结构。一方面由于吸收池造价高昂，使用双吸收池会增加仪器设备的成本；另一方面，由于检测器参数很难严格匹配，受温漂，噪声等影响，双检测器很难保证长期测量结果的稳定性和一致性。
基于这一现状，申请人发明了一种红外光谱双路测量装置及方法。
发明内容
本发明主要是解决现有技术中所存在的“使用双吸收池会增加仪器设备成本”的问题以及“使用双检测器难以保证长期测量结果的稳定性和一致性”的问题，提供了一种红外光谱双路测量装置及方法，该装置及方法采用“单检测器单吸收池”结构，降低了仪器成本，通过转镜式机构实现时间序列上的背景和样品测量，通过算法补偿采用单吸收池带来的光强衰减，保证测量结果的稳定可靠，并实现了测量的自动化，可实现开机即监测能力，适用于应急环境下的监测。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种红外光谱双路测量装置，包括：光路选择器，位于光路选择器下方的第一反射镜，位于光路选择器前方的第二反射镜，位于第二反射镜下方的能够反射和透射光线的分光器，位于第二反射镜和分光器中间的用于充入气体的气室，位于分光器前方的聚光镜，位于聚光镜光线聚焦方向上的红外线探测仪，其中：光路选择器包括能够透射光线的光路透射部分和能够反射光线的光路反射部分，并且光路选择器能够旋转从而交换光路透射部分和光路反射部分的位置。
优化的，上述的一种红外光谱测量装置，光路选择器的光路透射部分和光路反射部分相对于光路选择器的中心呈对称分布。
一种利用上述红外光谱双路测量装置进行红外光谱测量的方法，包括以下步骤：
反射模式测量步骤，将待测样气充入气室，旋转光路选择器使光路选择器的光路反射部分位于光线入射光路，利用光路反射部分、第二反射镜、分光器、聚光镜组成的光路将光线引至红外线探测仪，计算反射光穿过气室后的单光束反射光强度S1；
透射模式测量步骤，旋转光路选择器使光路选择器的光路透射部分位于光线入射光路，利用光路透射部分、第一反射镜、分光器、聚光镜组成的光路将光线引至红外线探测仪，计算单光束透射光强度S2；
样气浓度计算步骤，利用测量得到的S1和S2计算待测样气浓度。
优化的，上述的一种红外光谱测量的方法，所述样气浓度测量步骤包括：
透过率计算子步骤，基于公式T＝S1/S2计算得到光谱透过率T，式中，T为光谱透过率，S2为所述单光束透射光强度，S1为所述的单光束反射光强度；吸光度计算子步骤，基于公式A＝-log(T)+log10(α)计算得到光谱吸光度A，式中，α为通过吸收池时的光强衰减系数；浓度值计算子步骤，根据光谱吸光度A值和比尔定律计算出待测样气的浓度值。
优化的，上述的一种红外光谱测量的方法，所述光强衰减系数α基于以下方法得到：在透射模式下测量光谱强度S2后，再在透射光路中引入一个空的吸收池，测量光穿过该吸收池的强度S0，然后基于公式α＝S0/S2得到。
因此，本发明具有如下优点：1.设备成本更低，采用单吸收池结构，降低了仪器成本；2.测量结果更可靠，采用单检测器，单吸收池结构，通过转镜式机构实现时间序列上的背景和样品测量，通过算法补偿采用单吸收池带来的光强衰减，保证测量结果的稳定可靠；3.自动化程度更高，相对单光束测量装置，实现了测量的自动化，可实现开机即监测能力，适用于应急环境下的监测。
附图说明
附图1是现有技术中的单光束测量装置。
附图2是现有技术中的双光束测量装置。
附图3是现有技术中的另一种双光束测量装置。
附图4是本发明的红外光谱双路测量装置的反射工作模式光路图。
附图5是本发明的红外光谱双路测量装置的透射工作模式光路图。
附图6是本发明的红外光谱双路测量方法中各类光谱强度对比图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
如图4-5所示，一种红外光谱双路测量装置，包括：光路选择器，位于光路选择器下方的第一反射镜，位于光路选择器前方的第二反射镜，位于第二反射镜下方的能够反射和透射光线的分光器，位于第二反射镜和分光器中间的用于充入气体的气室，位于分光器前方的聚光镜，位于聚光镜光线聚焦方向上的红外线探测仪，其中：所述光路选择器包括相对于光路选择器的中心呈对称分布的能够透射光线的光路透射部分和能够反射光线的光路反射部分，并且所述光路选择器能够旋转从而交换所述光路透射部分和所述光路反射部分的位置。
本发明的红外光谱双路测量方法包括：反射模式测量步骤、样气浓度计算步骤。
反射模式测量步骤如图4所示，首先将待测样气充入气室，旋转光路选择器使光路选择器的光路反射部分位于光线入射光路，利用光路反射部分、第二反射镜、分光器、聚光镜组成的光路将光线引至红外线探测仪，计算单光束光谱S1；
透射模式测量步骤如图5所示，旋转光路选择器使光路选择器的光路透射部分位于光线入射光路，利用光路透射部分、第一反射镜、分光器、聚光镜组成的光路将光线引至红外线探测仪，计算单光束光谱强度S2；
样气浓度计算步骤，利用测量得到的S1和S2得到待测样气浓度。
由于反射模式下，红外光信号通过吸收池，比透射模式下，有更多的反射次数，产生单光束强度的整体衰减。
在传统测量方法中，如图2-3所示，光线要通过零气吸收池时的光谱强度为S0，光线通过样气吸收池时的光谱强度为S1，其光谱透过率T1＝S1/S0,光谱吸光度A＝-log10(T1)。
本发明中，光谱透过率T＝S1/S2,与传统方法的区别是，透射模式下，光线不通过吸收池，因此，S2比S0少了一个整体的光强衰减系数，定义该衰减系数为α,则应有S2＝S0/α,
那么光谱透过率为T＝S1/S2＝αT1。
则有光谱吸光度A＝-log10(T1)＝-log10(T/α)＝-log10(T)+log10(α)。
由于装置各部件确定后，其光强衰减系数α为一固定值，所以，在透射模式下测量光谱强度S2后，再在透射光路中引入一个空的吸收池，测量光穿过该吸收池的强度S0，然后基于公式α＝S0/S2可以得到α的值。当装置各部件确定后，该衰减系数α是一固定值，所以可直接视为常数参与计算。
在以上步骤之后，可以再根据光谱吸光度A值和比尔定律A＝kc即可计算出待测样气的浓度值。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (5)
1.一种红外光谱双路测量装置，其特征在于，包括：光路选择器，位于光路选择器下方的第一反射镜，位于光路选择器前方的第二反射镜，位于第二反射镜下方的能够反射和透射光线的分光器，位于第二反射镜和分光器中间的用于充入气体的气室，位于分光器前方的聚光镜，位于聚光镜光线聚焦方向上的红外线探测仪，其中：所述光路选择器包括能够透射光线的光路透射部分和能够反射光线的光路反射部分，并且所述光路选择器能够旋转从而交换所述光路透射部分和所述光路反射部分的位置。
2.根据权利要求1所述的一种红外光谱测量装置，其特征在于，所述光路选择器的光路透射部分和光路反射部分相对于光路选择器的中心呈对称分布。
3.一种利用上述红外光谱双路测量装置进行红外光谱测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
反射模式测量步骤，将待测样气充入气室，旋转光路选择器使光路选择器的光路反射部分位于光线入射光路，利用光路反射部分、第二反射镜、分光器、聚光镜组成的光路将光线引至红外线探测仪，计算反射光穿过气室后的单光束反射光强度S1；
透射模式测量步骤，旋转光路选择器使光路选择器的光路透射部分位于光线入射光路，利用光路透射部分、第一反射镜、分光器、聚光镜组成的光路将光线引至红外线探测仪，计算单光束透射光强度S2；
样气浓度计算步骤，利用测量得到的S1和S2计算待测样气浓度。
4.根据权利要求3所述的一种红外光谱测量的方法，其特征在于，所述样气浓度测量步骤包括：
透过率计算子步骤，基于公式T＝S1/S2计算得到光谱透过率T，式中，T为光谱透过率，S2为所述单光束透射光强度，S1为所述的单光束反射光强度；
吸光度计算子步骤，基于公式A＝-log(T)+log10(α)计算得到光谱吸光度A，式中，α为通过吸收池时的光强衰减系数；
浓度值计算子步骤，根据光谱吸光度A值和比尔定律计算出待测样气的浓度值。
5.根据权利要求4所述的一种红外光谱测量的方法，其特征在于，所述光强衰减系数α基于以下方法得到：在透射模式下测量光谱强度S2后，再在透射光路中引入一个空的吸收池，测量光穿过该吸收池的强度S0，然后基于公式α＝S0/S2得到。
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