CN104614338B - 红外气体分析设备及其分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了红外气体分析设备及其分析方法，包括红外光源、对红外光源所发出的光进行调制的调制装置，将调制后的红外光源发出的光分成两个光束的分光装置，不吸收红外光源发出的光束的参考气室、只充入待测气体的吸收气室、对从参考气室或吸收气室出来的光束进行探测并得出相应电信号的探测装置、以及与探测装置相连并将电信号输出的外接电路，探测装置为由石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件，其探测从参考气室或吸收气室出来的红外光束，并得出相应的电信号。从而提高了测量分析的灵敏度、缩短了响应时间以及提高了测量精度；并且为设备的微型化、便携化提供了有利条件。

Description

红外气体分析设备及其分析方法

技术领域

本发明涉及红外气体分析技术领域，具体涉及一种红外气体分析设备及其分析方法。

背景技术

气体的分子振动具有分立的能级，如果红外光子能量等于分子振动两个能级差，则分子吸收这种特定频率的光子，能级发生跃迁，振动能级能从低能级跃迁到高能级。这种被吸收光的特定波长或者特定频率称作是这种分子的特征吸收波长或者特征吸收频率。气体分子吸收波段大多处在近中红外波段(0.75um-12um)。气体吸收光的规律满足朗道-比伯定律。

传统的红外气体分析仪，常常面临着一个严重的问题，就是气体之间的串扰。也就是在探测一种气体时，由于光源的非单色性，待测气体A中混入的其他的气体B也会吸收待测气体A对应的特定波长附近波长的红外光。同样，待测气体B中的气体A也会吸收气体B对应的特征波长附近波长的红外光，这就导致测量精度不精确。

气体分析仪中气体经过红外吸收到达光电传感器，由光电传感器测出其浓度大小。在传统的气体分析仪中，光电传感器反映时间长，灵敏度低，而且仪器中吸收气室较长，以能够有足量的光被吸收，所以体积较大，不便于携带。这主要是因为所用光电材料的迁移率低等因素造成的。

因此，对气体分析仪的研究至关重要，从而将其体积减小，同时提高探测灵敏度。

发明内容

为了克服以上问题，本发明旨在提供一种红外气体分析设备及其分析方法，从而提高探测灵敏度，缩小设备体积。

为了实现上述目的，本发明提供了一种红外气体分析设备，包括红外光源、对所述红外光源所发出的光进行调制的调制装置，将调制后的所述红外光源所发出的光分成两个光束的分光装置，不吸收所述红外光源发出的光束的参考气室、只充入待测气体的吸收气室、对从所述参考气室或所述吸收气室出来的光束进行探测并得出相应电信号的探测装置、以及与所述探测装置相连并将所述电信号输出的外接电路，其中，

所述探测装置为由石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件，由其探测从所述参考气室或所述吸收气室出来的所述红外光束，并得出相应的电信号。

优选地，所述光电导红外传感器件由单层石墨烯和所述单层石墨烯上的量子点膜构成。

优选地，所述红外光源为窄带红外光源，用于发出单色窄带红外光；所述由石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件探测从所述参考气室或所述吸收气室出来的所述单色窄带红外光束，并得出相应的电信号。

优选地，所述窄带红外光源采用量子点光电二极管发出单色窄带红外光。

优选地，所述窄带红外光源采用分别具有不同量子点材料的多个所述光电二极管，由石墨烯和量子点构成的所述光电导红外传感器件中采用分别具有不同吸收波长的量子点材料；所述光电导红外传感器件中所采用的量子点材料与所述多个光电二极管中所采用的量子点材料分别一一对应相同。

优选地，所述窄带红外光源还包括可转动窄带光源板，所述分别具有不同量子点材料的多个所述光电二极管位于所述可转动窄带光源板上。

优选地，所述窄带红外光源采用广谱光源经单色窄带滤光片后得到单色窄带红外光。

优选地，所述窄带红外光源由广谱光源和可转动的滤光板构成，所述滤光板包括分别具有不同波长的多个所述单色窄带滤光片。

优选地，所述待测气体为一种或多种，所述单色窄带红外光波长的峰位与一种所述待测气体的红外特征吸收波长的峰位相同或二者的偏差范围不大于±50nm，并且所述单色窄带红外光波长范围内仅含有一种所述待测气体的部分红外特征吸收波长。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种采用红外气体分析设备进行的气体分析方法，其包括以下步骤：

步骤01：向所述吸收气室充入待测气体；

步骤02：选择红外光源，所选择的红外光源发出红外光；所述红外光的波长范围内含有所述待测气体的特征吸收波长；

步骤03：所述调制装置对所述红外光进行调制，并经所述分光装置将所述红外光分成两束等光通量的红外光束；

步骤04：两束所述红外光束分别进入所述参考气室和所述吸收气室；

步骤05：所述由石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件分别对从所述参考气室和所述吸收气室出来的光束进行探测并输出相应的电信号；

步骤06：所述外接电路将所述电信号输出，从而得到所述待测气体的分析结果。

优选地，所述红外光源为窄带红外光源，用于发出单色窄带红外光；

所述步骤02具体包括：选择窄带红外光源，所选择的窄带红外光源发出单色窄带红外光，该单色窄带红外光波长的峰位与所述待测气体的特征吸收波长的峰位相同或二者的偏差范围不大于±50nm，并且该单色窄带红外光波长范围内仅含有所述待测气体的部分特征吸收波长；

所述步骤03具体包括：所述调制装置对所述单色窄带红外光进行调制，并经所述分光装置将所述单色窄带红外光分成两束等光通量的单色窄带红外光束；

所述步骤04具体包括：两束所述单色窄带红外光束分别进入所述参考气室和所述吸收气室；

所述步骤05具体包括：所述由石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件探测从所述参考气室或所述吸收气室出来的所述单色窄带红外光束，并得出相应的电信号。

优选地，所述待测气体为多种；所述窄带红外光源由可转动窄带光源板构成，所述分别具有不同量子点材料的多个所述光电二极管位于所述可转动窄带光源板上；

所述步骤02包括：首先，设定窄带光源板旋转后的停止时段；然后，转动所述窄带光源板，使所述窄带光源板上的其中一个光电二极管对准所述调制装置，所述窄带光源板在所述停止时段内保持静止；其中，所述其中一个光电二极管所发出的单色窄带红外光波长的峰位与一种所述待测气体的特征吸收波长的峰位相同或二者的偏差范围不大于±50nm，并且所述其中一个光电二极管所发出的单色窄带红外光波长范围内仅含有一种所述待测气体的部分特征吸收波长；

所述步骤06之后，还包括：

步骤07：当所设定的窄带光源板旋转后的停止时段结束后，继续转动所述窄带光源板，使所述窄带光源板上的另一个光电二极管对准所述调制装置，所述窄带光源板继续在所述停止时段内保持静止；其中，所述另一个光电二极管所发出的单色窄带红外光波长的峰位与另一种所述待测气体的特征吸收波长的峰位相同或二者的偏差范围不大于±50nm，并且所述另一个光电二极管所发出的单色窄带红外光波长范围内仅含有另一种所述待测气体的部分特征吸收波长；

步骤08：重复所述步骤03-07，直至将所要探测的所述待测气体都探测完毕；

步骤09：重复上述步骤01-08，对所探测到的数据进行实时跟踪。

优选地，所述待测气体为多种；所述窄带红外光源由广谱光源和可转动的滤光板构成，所述滤光板包括所述具有不同波长的多个所述单色窄带滤光片；

所述步骤02包括：首先，设定所述滤光板旋转后的停止时段；然后，转动所述滤光板，使所述滤光板上的其中一个单色窄带滤光片对准所述调制装置，所述滤光板在所述停止时段内保持静止；其中，经所述其中一个单色窄带滤光片后得到的单色窄带红外光波长的峰位与一种所述待测气体的特征吸收波长的峰位相同或二者的偏差范围不大于±50nm，并且经所述其中一个单色窄带滤光片后得到的单色窄带红外光波长范围内仅含有一种所述待测气体的部分特征吸收波长；

所述步骤06之后，还包括：

步骤07：当所设定的滤光板旋转后的停止时段结束后，继续转动所述滤光板，使所述滤光板上的另一个单色窄带滤光片对准所述调制装置，所述滤光板继续在所述停止时段内保持静止；其中，经所述另一个单色窄带滤光片后得到的单色窄带红外光波长的峰值与另一种所述待测气体的特征吸收波长的峰值相同或二者的偏差范围不大于±50nm，并且经所述另一个单色窄带滤光片后得到的单色窄带红外光波长范围内仅含有另一种所述待测气体的部分特征吸收波长；

步骤08：重复所述步骤03-07，直至将所要探测的所有所述待测气体都探测完毕；

步骤09：重复上述步骤01-08，对所探测到的数据进行实时跟踪。

本发明的红外气体分析设备及其分析方法，采用由石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件，由于石墨烯的迁移率高，量子点对光子的吸收速度快，从而使得石墨烯和量子点光电传感器具有高灵敏度、响应时间短的优点，进一步提高了测量精度；此外，由于窄带红外光源所发出的窄带红外光的半峰宽较窄，单色性非常好，从而提高了测量精度，解决了对待测气体进行测量中的串扰问题；相比于现有技术，吸收气室可以做的很短，为设备的微型化、便携化提供了有利条件。

附图说明

图1为本发明的实施例一的红外气体分析设备的结构示意图

图2为本发明的实施例一的由石墨烯/量子点构成的光电导红外传感器件的结构示意图

图3为本发明的实施例一的气体分析方法的流程示意图

图4为本发明的实施例二的红外气体分析设备的结构示意图

图5为本发明的实施例二的气体分析方法的流程示意图

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

本发明的红外气体分析设备，包括红外光源、对红外光源进行调制的调制装置，将调制后的红外光源所发出的光分成两个光束的分光装置，不吸收红外光源发出的光束的参考气室、只充入待测气体的吸收气室、对从参考气室或所述吸收气室出来的光束进行探测并得出相应电信号的探测装置、以及与探测装置相连并将电信号输出的外接电路，其中，探测装置为由石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件，其探测从参考气室或吸收气室出来的单色窄带红外光束，并得出相应的电信号。

本发明的一实施例中红外光源可以为窄带红外光源，用于发出单色窄带红外光，该窄带红外光源的波长可以根据需要来选择；窄带红外光源可以采用量子点光电二极管发出单色窄带红外光，或者可以采用广谱光源经单色滤光片后得到单色窄带红外光。选用窄带红外光源可以防止气体串扰；窄带红外光源可以采用分别具有不同量子点材料的多个光电二极管，由石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件中可以采用分别具有不同波长的量子点材料；光电导红外传感器件中所采用的量子点材料与多个光电二极管中所采用的量子点材料分别一一对应相同。

需要说明的是，本发明的参考气室、吸收气室、调制装置和读出电路的具体结构可以采用现有的结构，本发明对此不再赘述。

本发明除了在安全生产领域可以发挥作用。在可穿戴设备或者智能家居方面也可以发挥作用。如在智能家居方面，本发明可以检测室内空气成分的变化和有害气体的检测报警，例如甲醛超标和煤气中毒。

本发明的气体分析方法包括：

步骤01：向所述吸收气室充入待测气体；

步骤02：选择红外光源，所选择的红外光源发出红外光，该红外光的波长范围内含有待测气体的特征吸收波长；

在一实施例中，红外光源为窄带红外光源，用于发出单色窄带红外光；该步骤02具体包括：选择窄带红外光源，所选择的窄带红外光源发出单色窄带红外光，该单色窄带红外光波长的峰位与待测气体的特征吸收波长的峰位相同或接近，并且该单色窄带红外光的波长范围内仅含有待测气体的部分特征吸收波长；需要说明的是，这里所说的“相同或接近”是指单色窄带红外光波长的峰位与待测气体的特征吸收波长的峰位基本重合，或者其二者的偏差范围不大于±50nm。

步骤03：所述调制装置对所述红外光进行调制，并经所述分光装置将所述红外光分成两束等光通量的红外光束；

在一实施例中，该步骤03具体包括：调制装置对单色窄带红外光进行调制，并经分光装置将单色窄带红外光分成两束等光通量的单色窄带红外光束；

步骤04：两束红外光束分别进入参考气室和吸收气室；

在一实施例中，所述步骤04具体包括：两束单色窄带红外光束分别进入参考气室和吸收气室；

步骤05：所述由石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件分别对从所述参考气室和所述吸收气室出来的光束进行探测并输出相应的电信号；

在一实施例中，步骤05具体包括：由石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件探测从参考气室或吸收气室出来的单色窄带红外光束，并得出相应的电信号。

步骤06：外接电路将所述电信号输出，从而得到待测气体的分析结果。

以下结合附图1-5和具体实施例对本发明的红外气体分析设备及其分析方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。

实施例一

本实施例中，请参阅图1，红外气体分析设备，包括：可转动窄带光源板1、与窄带光源板1相对的斩波器3、与斩波器3相对应的反射镜和透射镜4、与反射镜和透射镜4相对的参考气室5和吸收气室6、与参考气室5和吸收气室6相对的由石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件组7、以及与光电导红外传感器件组7相连的读出电路8。

本实施例中，待测气体为多种，窄带红外光源包括多个光电二极管2和可转动窄带光源板1，该多个光电二极管2位于可转动窄带光源板1上，这里，多个光电二极管2可以位于可转动窄带光源板1的任意位置，例如可转动窄带光源板1的表面、边缘或镶嵌于其中；该多个光电二极管2的量子点材料不同；根据不同的待测气体，只需转动窄带光源板1，使窄带光源板1上的其中一个光电二极管对准斩波器3，该光电二极管发出的单色窄带红外光即透过斩波器3；其中一个光电二极管所发出的单色窄带红外光波长的峰位与一种待测气体的特征吸收波长的峰位相同或接近，其中一个光电二极管所发出的单色窄带红外光波长范围内仅含有一种待测气体的部分特征吸收波长；较佳的，一种待测气体的特征吸收波长的峰位和与其所对应的一个光电二极管所发出的单色窄带红外光波长的峰位刚好相等。所采用的量子点材料的厚度可以为60-80nm；带红外光源所发出的单色窄带红外光的半峰宽可以为50-100nm；因此，可以针对气体的主要成分，来选择量子点光电二极管所采用的量子点材料，量子点可以为III-V族或者II-VI元素的化合物，不同的量子点可吸收不同波段的光，并且随着量子点的直径变化，所吸收光的波段也发生变化；本实施例中，当针对含有可燃气体环境下的气体进行分析和监测时，以含有大量水煤气的混合气体作为待测气体为例。待测气体主要包含甲烷(CH₄)，CO，CO₂三种。甲烷特征吸收波长为2.4um和3.3um。一氧化碳特征吸收波长为4.65um，二氧化碳特征吸收波长为2.7um和4.26um。这里，分别对应于上述三种待测气体的三个量子点光电二极管所采用的量子点材料分别为：直径较小的PbSe(2.7um±0.1um)，直径较大的PbSe(3.3um±0.1um)、以及InSb(4.6um±0.1um)。括号中前、后两个数值分别表示该量子点的发光谱峰值和半峰宽。例如，直径较小的PbSe量子点，发光谱峰值在2.7um处，其发光谱峰的半峰宽为0.1um。而当针对在家居环境中，人们最担心的是甲醛超标和煤气中毒问题进行气体分析和监测时，主要检测的待测气体包含二氧化碳(2.7um，4.26um)、一氧化碳(4.65um)、甲醛(1.94um)三种，括号内的数值为相应的气体的特征波长峰值，那么，相应的量子点发光二极管所采用的量子点材料分别为：PbTe(2um±0.1um)，PbSe(2.7um±0.1um)、InSb(4.6um±0.1um)。

斩波器3，作为本实施例中的调制装置，对量子点光电二极管所发出的单色窄带红外光进行调制，斩波器以一定频率转动，这里为50Hz。

反射镜和透射镜4，作为本实施例中的分光装置，其将斩波器调制的单色窄带红外光分成两个等光通量的光束，其中一个光束射入参考气室，另一个光束射入吸收气室。

参考气室5内充满中性气体，中性气体不吸收任何光源发出的光，例如，氮气等。因此，进入参考气室内的单色窄带红外光束不会被吸收，单色窄带红外光束的光通量不变。为了减少进入参考气室内的单色窄带红外光束的损失，参考气室采用圆柱形设计，并在其内壁涂覆有反射膜。

吸收气室6，其内充满待测气体，由于所采用的一种单色窄带红外光波长仅含有一种待测气体的部分红外特征吸收波长，因此，进入吸收气室内的单色窄带红外光束被吸收了一部分，其光通量减小。例如，量子点光电二极管中PbSe量子点发光波长正是二氧化碳待测气体的特征吸收波长，红外光在吸收气室的光程中被吸收了一部分。为了减少进入吸收气室内的单色窄带红外光束的损失，吸收气室采用圆柱形设计，并在其内壁涂覆有反射膜。

由石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件组7，作为本实施例的探测装置，包括两个红外传感器件，一个用于探测从参考气室出来的单色窄带红外光束，并得出相应的电信号，另一个用于探测从吸收气室出来的单色窄带红外光束，并得出相应的电信号。请参阅图2，光电导红外传感器件由单层石墨烯31和单层石墨烯31上的量子点膜33构成，其结构可以包括：半导体衬底、位于半导体衬底表面的石墨烯薄膜31、覆盖于石墨烯薄膜31表面的量子点33、位于量子点33区域外的石墨烯薄膜31上的电极32。光电导红外传感器件中所采用的量子点材料与窄带红外光源所采用的量子点材料和规格一一对应相同，这是因为某一种量子点吸收光谱中包含这种量子点发光光谱的峰位，从而使得光电导红外传感器能够吸收相应的量子点光电二极管发出的窄带红外光。

由于光电导红外传感器件中的量子点的吸收波段较宽，所采用的不同的量子点材料的吸收波段可能会有重叠，但是这不影响分析结果，只要光电导红外传感器件中的所有量子点的吸收波段范围全部覆盖正在进行测试的那种待测气体的特征吸收波长，然后，对参考气室和吸收气室探测出的结果比如电流差值进行分析即可。而对于多种待测气体，所有量子点吸收波段全部覆盖所有待测气体的特征吸收波长；其中，与上述的其中一个光电二极管所采用的量子点材料相同的光电导红外传感器件中的量子点材料，用于感应待测气体的特征吸收波长，光电导红外传感器中的其它量子点材料而不吸收与待测气体相对应的波长的窄带红外光；这里可以采用单层石墨烯31上涂印具有不同吸收波长的半导体量子点材料，量子点膜33则由这三种不同波长的半导体量子点材料构成。石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件中的多种量子点材料可以相互混杂在一起形成一量子点层、或者分别形成具有不同波长的多层量子点层、或者在一层量子点层中分别形成具有不同波长的多个量子点区域。采用与所有量子点光电二极管相同的量子点材料集于单层石墨烯上，对于某一单色窄带红外光源来说，发出的单色窄带红外光一定在单层石墨烯上的量子点的吸收光谱范围之内。因此光电导红外传感器件可对经过吸收气室和参考气室后的任一窄带红外光进行探测和分析。

当针对含有可燃气体环境下的气体进行分析和监测时，以含有大量水煤气的混合气体作为待测气体为例，光电导红外传感器件中的量子点材料可以为：直径较小PbSe(0.8u～2um)，直径较大PbSe(1um～3um)、InSb(2um～5um)，其括号中的数值范围表示该量子点的吸收波段。而当针对在家居环境中，人们最担心的是甲醛超标和煤气中毒问题进行气体分析和监测时，主要检测的待测气体包含二氧化碳(2.7um，4.26um)、一氧化碳(4.65um)、甲醛(1.94um)三种，对应于这三种待测气体的光电导红外传感器件中的量子点材料可以分别为：PbTe(1um～3um)，PbSe(1um～3um)，InSb(2um～5um)。

这里需要说明的是，关于量子点光电二极管中的量子点材料以及光电导红外传感器件中的量子点材料的选择可以遵循以下规律：某种待测气体吸收光谱的峰值决定了需要选用哪种量子点材料用于量子点光电二极管中，这种量子点材料的发光光谱峰值与该待测气体吸收光谱峰值对应，这种量子点材料同时又决定了光电导红外传感器件中所采用的量子点材料，因为这种量子点材料肯定会吸收与其相同的量子点材料所发出的光。

当经过参考气室和吸收气室的单色窄带红外光束分别被两个光电导红外传感器件中的量子点吸收，则相应的光电导红外传感器件的电阻发生变化，两者的电流差值传入外接电路，外接电路将电流差值信号放大处理和显示。待测气体的成分根据量子点光电二极管的种类进行判断，而浓度通过光电导红外传感器件探测到的电流差来分析得出。

外接电路8可以包含整流电路，放大电路等模拟或者数字信号处理电路，以及人机交互面板，其将探测到的电信号转换为模拟或者数字信号并显示在屏幕上。

本实施例中，请参阅图3，采用上述红外气体分析设备对多种待测气体进行分析的方法，可以包括以下步骤：

步骤11：向吸收气室充入待测气体；

具体的，本步骤还包括向参考气室充入中性气体，中性气体不吸收任何光源发出的光，例如氮气；本实施例中，针对含有可燃气体环境下的气体进行分析和监测，以含有大量水煤气的混合气体作为待测气体为例。则待测气体主要包含甲烷(CH₄)，CO，CO₂三种。甲烷特征吸收波长为2.4um和3.3um。一氧化碳特征吸收波长为4.65um，二氧化碳特征吸收波长为2.7um和4.26um。

步骤12：转动窄带光源板，使与待测气体特征吸收波长相对应的量子点光电二极管对准斩波器，其发出的单色窄带红外光透过斩波器；

具体的，“与待测气体特征吸收波长相对应”是指一个量子点光电二极管所发出的单色窄带红外光波长的峰位与一种待测气体的特征吸收波长的峰位相同或接近，并且该量子点光电二极管所发出的单色窄带红外光波长范围内仅含有该种待测气体的部分特征吸收波长；由于所要探测的待测气体为多种，例如待测气体主要包含CH₄，CO，CO₂三种，因此，可以对这三种待测气体分别进行探测；这里，首先可以设定窄带光源板旋转后的停止时段，以使光电导红外传感有足够的探测时间和响应时间；然后，转动窄带光源板，窄带光源板在停止时段内保持静止；其中一个光电二极管所发出的单色窄带红外光波长的峰位与一种待测气体的特征吸收波长的峰位相同或接近，并且该其中一个光电二极管所发出的单色窄带红外光波长范围内仅含有该种待测气体的部分特征吸收波长。

步骤13：经过斩波器对单色窄带红外光进行调制，并经反射镜和透射镜将单色窄带红外光分成两束等光通量的单色窄带红外光束；

步骤14：两束单色窄带红外光束分别进入参考气室和吸收气室；

具体的，进入参考气室的单色窄带红外光束不被吸收，从而其光通量不发生变化；进入吸收气室的单色窄带红外光束被待测气体吸收，从而其光通量减少了一部分。

步骤15：由石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件分别对从参考气室和吸收气室出来的光束进行探测并输出相应的电信号；

具体的，当经过参考气室和吸收气室的单色窄带红外光束分别被两个光电导红外传感器件中的量子点吸收，则相应的光电导红外传感器件的电阻发生变化，两者的电流产生电流差值。

步骤16：外接电路将电信号输出，从而得到待测气体的分析结果。

具体的，将上述电信号进入外接电路，外接电路对电信号进行方法处理和显示，例如，其将探测到的电信号转换为模拟或者数字信号并显示在屏幕上，从而根据这些数据可以计算出待测气体的浓度等数据。

本实施例中，在步骤16之后，还包括：

步骤17：当所设定的窄带光源板旋转后的停止时段结束后，继续转动窄带光源板，使与另一种待测气体特征吸收波长相对应的量子点光电二极管对准斩波器；这里，窄带光源板上的另一个光电二极管对准斩波器，窄带光源板继续在停止时段内保持静止；其中，另一个光电二极管所发出的单色窄带红外光波长的峰位与另一种待测气体的特征吸收波长的峰位相同或接近，并且该另一个光电二极管所发出的单色窄带红外光波长范围内仅含有该另一种待测气体的部分特征吸收波长。

步骤18：重复上述步骤13-17，直至将所要探测的所有待测气体都探测完毕。这样，得到所有待测气体的浓度等数据。

步骤19：重复上述步骤11-18，对所探测到的数据进行实时跟踪。这里，对待测气体的成分、浓度等分析进行实时跟踪。

实施例二

本实施例二中，请参阅图4，红外气体分析设备，包括：由广谱光源21和可转动的滤光板22构成的窄带红外光源、与滤光板22相对的斩波器24、与斩波器23相对应的反射镜和透射镜25、与反射镜和透射镜25相对的参考气室26和吸收气室27、与参考气室26和吸收气室27相对的由石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件组28、以及与光电导红外传感器件组28相连的读出电路29。

本实施例中，待测气体为多种，可转动的滤光板22包括多个不同波长的窄带单色滤光片23；根据不同的待测气体，只需转动来滤光板，使广谱光源发出的宽波段的光经相应的窄带单色滤光片之后得到与待测气体特征吸收波长相对应的单色窄带红外光，然后该单色窄带红外光透过斩波器；这里，经其中一个单色窄带滤光片后得到的单色窄带红外光波长的峰位与一种待测气体的特征吸收波长的峰位相同或接近，并且经该其中一个单色窄带滤光片后得到的单色窄带红外光波长范围内仅含有该种待测气体的部分特征吸收波长；例如，混合气体为水煤气，水煤气主要包含甲烷、二氧化碳和一氧化碳，则其中给一个单色窄带滤光片所允许透过的单色窄带红外光波长包含甲烷的特征吸收波长，且不包含二氧化碳、一氧化碳的特征吸收波长；经一个单色窄带滤光片后得到的单色窄带红外光的半峰宽可以为50-100nm。

斩波器24，作为本实施例中的调制装置，对所发出的单色窄带红外光进行调制，斩波器以一定频率转动，这里可以为50Hz。

反射镜和透射镜25，作为本实施例中的分光装置，其将斩波器调制的单色窄带红外光分成两个等光通量的光束，其中一个光束射入参考气室，另一个光束射入吸收气室。

参考气室26内充满中性气体，中性气体不吸收任何光源发出的光，例如，氮气等。因此，进入参考气室内的单色窄带红外光束不会被吸收，单色窄带红外光束的光通量不变。为了减少进入参考气室内的单色窄带红外光束的损失，参考气室采用圆柱形设计，并在其内壁涂覆有反射膜。

吸收气室27，其内充满待测气体，由于所采用的一种单色窄带红外光波长与一种待测气体的红外特征吸收波长相对应，因此，进入吸收气室内的单色窄带红外光束被吸收了一部分，其光通量减小。为了减少进入吸收气室内的单色窄带红外光束的损失，吸收气室采用圆柱形设计，并在其内壁涂覆有反射膜。

由石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件组28，作为本实施例的探测装置，包括两个红外传感器件，一个用于探测从参考气室出来的单色窄带红外光束，并得出相应的电信号，另一个用于探测从吸收气室出来的单色窄带红外光束，并得出相应的电信号。光电导红外传感器件由单层石墨烯和单层石墨烯上的量子点膜构成，其结构可以包括：半导体衬底、位于半导体衬底表面的石墨烯薄膜、覆盖于石墨烯薄膜表面的量子点、位于量子点区域外的石墨烯薄膜上的电极。这里可以采用单层石墨烯上涂印具有不同吸收波长的半导体量子点材料，量子点膜则由这三种不同吸收波长的半导体量子点材料构成；石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件中的多种量子点材料可以相互混杂在一起形成一量子点层、或者分别形成具有不同波长的多层量子点层、或者在一层量子点层中分别形成具有不同波长的多个量子点区域；原理可参见实施例一中相关描述。当经过参考气室和吸收气室的单色窄带红外光束分别被两个光电导红外传感器件中的量子点吸收，则相应的光电导红外传感器件的电阻发生变化，两者的电流差值传入外接电路，外接电路将电流差值信号放大处理和显示。

外接电路29可以包含整流电路，放大电路等模拟或者数字信号处理电路，以及人机交互面板，其将探测到的电信号转换为模拟或者数字信号并显示在屏幕上。

本实施例中，请参阅图5，采用上述红外气体分析设备对多种待测气体进行分析的方法，可以包括以下步骤：

步骤21：向吸收气室充入待测气体；

具体的，本步骤还包括向参考气室充入中性气体，中性气体不吸收任何光源发出的光，例如氮气。

步骤22：转动滤光板，使相应的单色窄带滤光片对准斩波器，过滤后得到的单色窄带红外光透过斩波器；广谱光源发出的光经该单色窄带滤光片过滤后的单色窄带红外光波长与待测气体特征吸收波长相对应；

具体的，本实施例中，“过滤后的单色窄带红外光波长与待测气体特征吸收波长相对应”是指经一个单色窄带滤光片后得到的单色窄带红外光波长的峰位与一种待测气体的特征吸收波长的峰位相同或接近，并且经一个单色窄带滤光片后的得到的单色窄带红外光波长仅含有一种待测气体的部分特征吸收波长；因此，这里所要探测的待测气体为多种，可以对多种待测气体分别进行探测；这里，首先，设定滤光板旋转后的停止时段；然后，转动滤光板，使滤光板上的其中一个单色窄带滤光片对准调制装置，滤光板在停止时段内保持静止；其中，经其中一个单色窄带滤光片后得到的单色窄带红外光波长的峰位与一种待测气体的特征吸收波长的峰位相同，并且经该其中一个单色窄带滤光片后得到的单色窄带红外光波长范围内仅含有该种待测气体的部分特征吸收波长。

步骤23：经过斩波器对单色窄带红外光进行调制，并经反射镜和透射镜将单色窄带红外光分成两束等光通量的单色窄带红外光束；

步骤24：两束单色窄带红外光束分别进入参考气室和吸收气室；

具体的，进入参考气室的单色窄带红外光束不被吸收，从而其光通量不发生变化；进入吸收气室的单色窄带红外光束被待测气体吸收，从而其光通量减少了一部分。

步骤25：由石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件分别对从参考气室和吸收气室出来的光束进行探测并输出相应的电信号；

具体的，当经过参考气室和吸收气室的单色窄带红外光束分别被两个光电导红外传感器件中的量子点吸收，则相应的光电导红外传感器件的电阻发生变化，两者的电流产生电流差值。

步骤26：外接电路将电信号输出，从而得到待测气体的分析结果。

具体的，将上述电信号进入外接电路，外接电路对电信号进行方法处理和显示，例如，其将探测到的电信号转换为模拟或者数字信号并显示在屏幕上，从而根据这些数据可以计算出待测气体的浓度等数据。

本实施例中，在步骤26之后，还包括：

步骤27：当所设定的滤光板旋转后的停止时段结束后，继续转动滤光板，使与另一种待测气体特征吸收波长相对应的单色窄带滤光片对准斩波器；这里，当所设定的滤光板旋转后的停止时段结束后，继续转动所滤光板，使滤光板上的另一个单色窄带滤光片对准调制装置，滤光板继续在停止时段内保持静止；其中，经另一个单色窄带滤光片后得到的单色窄带红外光波长的峰位与另一种待测气体的特征吸收波长的峰位相同或接近，并且经该另一个单色窄带滤光片后得到的单色窄带红外光波长范围内仅含有该另一种待测气体的部分特征吸收波长。

步骤28：重复上述步骤23-27，直至将所要探测的所有待测气体都探测完毕。这样，得到所有待测气体的浓度等数据。

步骤29：重复上述步骤21-28，对所探测到的数据进行实时跟踪。这里，对待测气体的成分、浓度等分析进行实时跟踪。

综上所述，本发明的红外气体分析设备及其分析方法，采用由石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件，由于石墨烯的迁移率高，量子点对光子的吸收速度快，从而使得石墨烯和量子点光电传感器具有高灵敏度、响应时间短的优点，进一步提高了测量精度；此外，由于窄带红外光源所发出的窄带红外光的半峰宽较窄，单色性非常好，从而提高了测量精度，解决了对待测气体测量中的串扰问题；相比于现有技术，石墨烯和量子点光电传感器的高灵敏度可以缩短吸收气室的光程，使吸收气室可以做的很短，这为设备的微型化、芯片化、便携化提供了有利条件。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种红外气体分析设备，包括红外光源、对所述红外光源所发出的光进行调制的调制装置，将调制后的所述红外光源所发出的光分成两个光束的分光装置，不吸收所述红外光源发出的光束的参考气室、只充入待测气体的吸收气室、对从所述参考气室或所述吸收气室出来的光束进行探测并得出相应电信号的探测装置、以及与所述探测装置相连并将所述电信号输出的外接电路，其特征在于：

所述探测装置为由石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件，由其探测从所述参考气室或所述吸收气室出来的所述红外光束，并得出相应的电信号；

所述吸收气室的内壁涂覆有反射膜；石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件中的多种量子点材料相互混杂在一起形成一量子点层、或者分别形成具有不同波长的多层量子点层、或者在一层量子点层中分别形成具有不同波长的多个量子点区域；其中，

所述红外光源为窄带红外光源，用于发出单色窄带红外光；所述由石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件探测从所述参考气室或所述吸收气室出来的所述单色窄带红外光束，并得出相应的电信号；所述窄带红外光源采用量子点光电二极管发出单色窄带红外光；

所述窄带红外光源采用分别具有不同量子点材料的多个所述光电二极管，由石墨烯和量子点构成的所述光电导红外传感器件中采用分别具有不同吸收波长的量子点材料；所述光电导红外传感器件中所采用的量子点材料与所述多个光电二极管中所采用的量子点材料分别一一对应相同。

2.根据权利要求1所述的红外气体分析设备，其特征在于，所述光电导红外传感器件由单层石墨烯和所述单层石墨烯上的量子点膜构成。

3.根据权利要求1所述的红外气体分析设备，其特征在于，所述窄带红外光源还包括可转动窄带光源板，所述分别具有不同量子点材料的多个所述光电二极管位于所述可转动窄带光源板上。

4.根据权利要求1所述的红外气体分析设备，其特征在于，所述窄带红外光源采用广谱光源经单色窄带滤光片后得到单色窄带红外光。

5.根据权利要求4所述的红外气体分析设备，其特征在于，所述窄带红外光源由广谱光源和可转动的滤光板构成，所述滤光板包括分别具有不同波长的多个所述单色窄带滤光片。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的红外气体分析设备，其特征在于，所述待测气体为一种或多种，所述单色窄带红外光波长的峰位与一种所述待测气体的红外特征吸收波长的峰位相同或二者的偏差范围不大于±50nm，并且所述单色窄带红外光波长范围内仅含有一种所述待测气体的部分红外特征吸收波长。

7.一种采用权利要求1所述的红外气体分析设备进行的气体分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤01：向所述吸收气室充入待测气体；其中，所述吸收气室的内壁涂覆有反射膜；

步骤02：选择红外光源，所选择的红外光源发出红外光；所述红外光的波长范围内含有所述待测气体的特征吸收波长；所述红外光源为窄带红外光源，用于发出单色窄带红外光；所述窄带红外光源采用分别具有不同量子点材料的多个所述光电二极管，由石墨烯和量子点构成的所述光电导红外传感器件中采用分别具有不同吸收波长的量子点材料；所述光电导红外传感器件中所采用的量子点材料与所述多个光电二极管中所采用的量子点材料分别一一对应相同；

步骤03：所述调制装置对所述红外光进行调制，并经所述分光装置将所述红外光分成两束等光通量的红外光束；

步骤04：两束所述红外光束分别进入所述参考气室和所述吸收气室；

步骤05：所述由石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件分别对从所述参考气室和所述吸收气室出来的光束进行探测并输出相应的电信号；其中，石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件中的多种量子点材料相互混杂在一起形成一量子点层、或者分别形成具有不同波长的多层量子点层、或者在一层量子点层中分别形成具有不同波长的多个量子点区域；其中，所述由石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件探测从所述参考气室或所述吸收气室出来的所述单色窄带红外光束，并得出相应的电信号；所述窄带红外光源采用量子点光电二极管发出单色窄带红外光；

步骤06：所述外接电路将所述电信号输出，从而得到所述待测气体的分析结果。

8.根据权利要求7所述的红外气体分析设备进行的气体分析方法，其特征在于，所述红外光源为窄带红外光源，用于发出单色窄带红外光；

所述步骤02具体包括：选择窄带红外光源，所选择的窄带红外光源发出单色窄带红外光，该单色窄带红外光波长的峰位与所述待测气体的特征吸收波长的峰位相同或二者的偏差范围不大于±50nm，并且该单色窄带红外光波长范围内仅含有所述待测气体的部分特征吸收波长；

所述步骤03具体包括：所述调制装置对所述单色窄带红外光进行调制，并经所述分光装置将所述单色窄带红外光分成两束等光通量的单色窄带红外光束；

所述步骤04具体包括：两束所述单色窄带红外光束分别进入所述参考气室和所述吸收气室；

所述步骤05具体包括：所述由石墨烯和量子点构成的光电导红外传感器件探测从所述参考气室或所述吸收气室出来的所述单色窄带红外光束，并得出相应的电信号。

9.根据权利要求8所述的红外气体分析设备进行的气体分析方法，其特征在于，所述待测气体为多种；所述窄带红外光源由可转动窄带光源板构成，所述分别具有不同量子点材料的多个所述光电二极管位于所述可转动窄带光源板上；

所述步骤02包括：首先，设定窄带光源板旋转后的停止时段；然后，转动所述窄带光源板，使所述窄带光源板上的其中一个光电二极管对准所述调制装置，所述窄带光源板在所述停止时段内保持静止；其中，所述其中一个光电二极管所发出的单色窄带红外光波长的峰位与一种所述待测气体的特征吸收波长的峰位相同或二者的偏差范围不大于±50nm，并且所述其中一个光电二极管所发出的单色窄带红外光波长范围内仅含有一种所述待测气体的部分特征吸收波长；

所述步骤06之后，还包括：

步骤07：当所设定的窄带光源板旋转后的停止时段结束后，继续转动所述窄带光源板，使所述窄带光源板上的另一个光电二极管对准所述调制装置，所述窄带光源板继续在所述停止时段内保持静止；其中，所述另一个光电二极管所发出的单色窄带红外光波长的峰位与另一种所述待测气体的特征吸收波长的峰位相同或二者的偏差范围不大于±50nm，并且所述另一个光电二极管所发出的单色窄带红外光波长范围内仅含有另一种所述待测气体的部分特征吸收波长；

步骤08：重复所述步骤03-07，直至将所要探测的所述待测气体都探测完毕；

步骤09：重复上述步骤01-08，对所探测到的数据进行实时跟踪。

10.根据权利要求8所述的红外气体分析设备进行的气体分析方法，其特征在于，所述待测气体为多种；所述窄带红外光源由广谱光源和可转动的滤光板构成，所述滤光板包括具有不同波长的多个单色窄带滤光片；

所述步骤02包括：首先，设定所述滤光板旋转后的停止时段；然后，转动所述滤光板，使所述滤光板上的其中一个单色窄带滤光片对准所述调制装置，所述滤光板在所述停止时段内保持静止；其中，经所述其中一个单色窄带滤光片后得到的单色窄带红外光波长的峰位与一种所述待测气体的特征吸收波长的峰位相同或二者的偏差范围不大于±50nm，并且经所述其中一个单色窄带滤光片后得到的单色窄带红外光波长范围内仅含有一种所述待测气体的部分特征吸收波长；

所述步骤06之后，还包括：

步骤07：当所设定的滤光板旋转后的停止时段结束后，继续转动所述滤光板，使所述滤光板上的另一个单色窄带滤光片对准所述调制装置，所述滤光板继续在所述停止时段内保持静止；其中，经所述另一个单色窄带滤光片后得到的单色窄带红外光波长的峰值与另一种所述待测气体的特征吸收波长的峰值相同或二者的偏差范围不大于±50nm，并且经所述另一个单色窄带滤光片后得到的单色窄带红外光波长范围内仅含有另一种所述待测气体的部分特征吸收波长；

步骤08：重复所述步骤03-07，直至将所要探测的所有所述待测气体都探测完毕；

步骤09：重复上述步骤01-08，对所探测到的数据进行实时跟踪。