CN106290218B - 一种超微量气体浓度检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种超微量气体浓度检测系统，包括光源及其耦合光路、吸收池、干涉仪和红外探测器；所述吸收池包括两端封口的管状壳体，以及管状壳体内部设置的反射组件；本发明在主镜的边缘附近设置直角反射镜，在反射光偏出主镜时，利用直角反射镜使主镜侧的反射点产生偏移，形成一组新的反射路径，从而使反射行程加倍；使红外光束的穿梭行程大大增加，满足了超微量气体的检测需求。
Description
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种超微量气体浓度检测系统。
背景技术
现有技术中，常采用光谱仪对气体进行浓度检测，其原理是：当红外光束穿过被测气体时，气体会吸收红外信号。由Lambert-Beer定律知，气体分子吸光度正比于吸收光程、气体分子浓度和气体分子吸收系数。而不同气体分子具有不同的气体分子吸收特征。因此，可以通过对经过气体吸收后的吸光度谱进行光谱分析来定量反演吸收气体分子浓度。然而，当气体浓度过低时，其气体分子吸光度较弱，吸收光谱表现不明显，此时可以通过增加气体分子吸收光程，以增大待测气体的吸光度。现有技术中增大光束行程的方法为球面镜反射法，如图1所示，该方法是将红外波在两组球面镜即图中的主镜1’与副镜3a’、3b’之间来回多次反射，以增大光束行程。然而，如图2所示，图中方框表示反射斑点，方框内的数字表示反射次序，由于第奇数次反射都发生在副镜3a’、3b’上，所以主镜1’上只标出了第偶数次反射的光斑。由图可见，该方法受限于球面镜的尺寸，其反射次数有限，在测量微量气体时，依然无法达到有效行程。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够增大反射行程的超微量气体浓度检测系统。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：一种超微量气体浓度检测系统，包括光源及其耦合光路、吸收池、干涉仪和和红外探测器；
所述吸收池包括两端封口的管状壳体，以及管状壳体内部设置的反射组件；
所述管状壳体的其中一端面上设有入光窗口和出光窗口，所述入光窗口和出光窗口上均设有透红外波材料制成的窗片；所述入光窗口的外侧与光源及其耦合光路正对设置，所述出光窗口的外侧与干涉仪的入光口正对设置，干涉仪的出光口与红外探测器正对设置；管状壳体的圆周面的两端设有进气口和出气口；所述进气口和出气口均与气体浓度待测空间连通，所述进气口或出气口上设有用于将待测空间内的气体抽进样品吸收池的气泵；
所述反射组件包括主镜和副镜，所述主镜由一块球面镜构成，所述副镜由两块球面镜即第一球面镜和第二球面镜构成，所述主镜和副镜的镜面相对设置，且主镜位于入光窗口和出光窗口所在的一端；入射光从主镜一侧射入，并打在副镜的第一球面镜上，经第一球面镜反射后会聚在主镜上，然后依次按照第二球面镜、主镜、第一球面镜、主镜、第二球面镜的顺序经过多次循环反射，直至副镜的反射光偏出主镜的镜面区域，副镜反射的会聚光束会在主镜上形成多个光斑；所述主镜的边缘附近还设有直角反射镜，所述直角反射镜设置在即将偏出主镜镜面区域的光斑对应的位置处，利用直角反射镜、可以将光束沿原方向返回的特性，使该光斑在主镜上的位置产生偏移，并使光束沿原方向返回，从而使反射次数加倍。
所述主镜的镜面大致呈T型，T形镜面两侧的空缺区域分别构成入光口和出光口，该入光口和出光口分别与管状壳体上的入光窗口和出光窗口正对设置，入射光束从主镜背后穿过入光口后打在副镜的第一球面镜上，经多次反射后由第二球面镜反射至出光口；所述主镜镜面两侧的空缺区域各设有一个直角反射镜，光束反射过程中在两个直角反射镜上分别反射一次。
所述主镜活动设置主镜安装板上，使主镜的俯仰角和横向偏转角可调。
所述主镜安装板上设有主镜侧浮动板，所述主镜侧浮动板上设有与主镜侧浮动板板面垂直的导向螺钉，所述导向螺钉穿过主镜安装板上设置的导向孔，该导向孔的直径略大于导向螺钉的直径，所述导向螺钉的顶端设有螺母，所述螺母与主镜安装板之间设有压簧，压簧的弹力使主镜侧浮动板弹性贴靠在主镜安装板的板面上；所述主镜安装板上还设有顶丝，所述顶丝与主镜安装板上设置的螺纹孔构成螺纹配合，且顶丝顶端抵靠在主镜侧浮动板上用于调节主镜侧浮动板的角度；所述顶丝设有两组，两组顶丝分别设置在主镜安装板的上部和侧部，分别用于调节主镜侧浮动板的俯仰角和横向偏转角；所述主镜安装在主镜侧浮动板上。
所述副镜活动设置在副镜安装板上，使副镜的两球面镜的俯仰角和横向偏转角可调。
所述副镜安装板上设有两块副镜侧浮动板，所述副镜侧浮动板上设有与副镜侧浮动板板面垂直的导向螺钉，所述导向螺钉穿过副镜安装板上设置的导向孔，该导向孔的直径略大于导向螺钉的直径，所述导向螺钉的顶端设有螺母，所述螺母与副镜安装板之间设有压簧，压簧的弹力使副镜侧浮动板弹性贴靠在副镜安装板的板面上；所述副镜安装板上还设有顶丝，所述顶丝与副镜安装板上设置的螺纹孔构成螺纹配合，且顶丝顶端抵靠在副镜侧浮动板上，用于调节副镜侧浮动板的角度；副镜安装板上对应每块副镜侧浮动板各设有两组顶丝，两组顶丝分别对应副镜侧浮动板的上部和侧部设置，用于调节副镜侧浮动板的俯仰角和横向偏转角；所述副镜的两块球面镜分别安装在两块副镜侧浮动板上。
所述主镜安装板和副镜安装板的上下两端通过两横梁相连；所述横梁与管状壳体的端板相连；所述主镜的球面镜和副镜的球面镜半径相同，且主镜与副镜之间的距离等于球面镜的半径。
所述主镜和副镜的反射面上均镀有用于提高反射率的反射膜，所述反射膜为镀金、镀铝或镀银。
所述管状壳体上远离入光窗口和出光窗口一端的端面上设有压力表和调整孔，压力表用于测量池内气体压强，为定量分析提供数据，调整孔能够在不拆池子的情况下，对副镜的角度进行调节。
本发明的技术效果在于：本发明的反射组件在主镜的边缘附近设置直角反射镜，在反射光即将偏出主镜时，利用直角反射镜使主镜侧的反射点产生偏移，形成一组新的反射路径，从而使反射行程加倍；使红外波的穿梭行程大大增加，满足了微量气体的检测需求。
附图说明
图1是现有技术中的超微量气体浓度检测系统原理图；
图2是现有技术中超微量气体浓度检测系统的主镜光斑分布图；
图3是本发明的系统原理图；
图4是本发明的反射组件原理图；
图5是本发明的主镜反射光斑分布图，图中方框表示反射斑点，方框内的数字表示反射次序，同样由于第奇数次反射都发生在副镜上，所以主镜上只标出了第偶数次反射的光斑；
图6是本发明的吸收池立体结构示意图；
图7是本发明的反射组件立体结构示意图；
图8是本发明的主镜剖视图；
图9是本发明的副镜剖视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
如图3所示，一种超微量气体浓度检测系统，包括光源及其耦合光路41、吸收池、干涉仪37和红外探测器39；
如图6所示，所述吸收池包括两端封口的管状壳体25，以及管状壳体25内部设置的反射组件；
所述管状壳体25的其中一端面上设有入光窗口29和出光窗口31，所述入光窗口29和出光窗口31上均设有透红外波材料制成的窗片；所述入光窗口29的外侧与光源41正对设置，所述出光窗口31的外侧与干涉仪37的入光口正对设置，干涉仪37的出光口与红外探测器39的红外探测器正对设置；所述管状壳体25的圆周面的两端分别设有进气口33和出气口35；所述进气口33和出气口35均与气体浓度待测空间连通，所述进气口33或出气口35上设有用于将待测空间内的气体抽进样品吸收池的气泵43；优选的，进气口33与待测气体相连通，出气口35与气泵相连通，抽气泵抽气，样品池内气压降低，待测气体通过进气口充入样品池内。
如图7所示，所述反射组件包括主镜1和副镜3，所述主镜1由一块球面镜构成，所述副镜3由两块球面镜即第一球面镜3a和第二球面镜3b构成，所述主镜1和副镜3的镜面相对设置，且主镜1位于入光窗口29和出光窗口31所在的一端；入射光从主镜1一侧射入，并打在副镜3的第一球面镜3a上，经第一球面镜3a反射后会聚在主镜1上，然后依次按照第二球面镜3b、主镜1、第一球面镜3a、主镜1、第二球面镜3b的顺序经过多次循环反射，直至副镜3的反射光偏出主镜1的镜面区域，副镜3反射的会聚光束会在主镜1上形成多个光斑；所述主镜1的边缘附近还设有直角反射镜5，所述直角反射镜5设置在即将偏出主镜1镜面区域的光斑对应的位置处，利用直角反射镜5可以将光束沿原方向返回的特性，使该光斑在主镜1上的位置产生偏移，并使光束沿原方向返回，从而使反射次数加倍。入射光路为会聚光路，会聚点在主镜1入射窗口位置，光束入射之后相当于主镜1入射窗口位置的一个点光源发散到副镜3上，经副镜3反射后又会聚到主镜1上，最后出射光束也是在主镜1另一侧的窗口位置。总之，从主镜1到副镜3方向都是发散光束，从副镜3到主镜1方向都是会聚光束，主镜1上的光斑都是会聚点。
优选的，如图5、6、7所示，所述主镜1的镜面大致呈T型，T形镜面两侧的空缺区域分别构成入光口和出光口，该入光口和出光口分别与管状壳体上的入光窗口和出光窗口正对设置，入射光束从主镜1背后穿过入光口后打在副镜3的第一球面镜3a上，经多次反射后由第二球面镜3b反射至出光口；所述主镜1镜面两侧的空缺区域各设有一个直角反射镜5，光束反射过程中在两个直角反射镜5上分别反射一次。每增加一个直角反射镜5，光程增加一倍，本实施例设置了两个直角反射镜5，因此光程增加了两倍。实际使用时，也可以根据光程需要，调节副镜3角度，使光束只经过其中一个直角反射镜5，这种情况下光程就只增加一倍。
进一步的，所述主镜1活动设置主镜安装板7上，使主镜1的俯仰角和横向偏转角可调。
本实施例优选采用如下装配方式：
如图8所示，所述主镜安装板7上设有主镜侧浮动板9，所述主镜侧浮动板9上设有与主镜侧浮动板9板面垂直的导向螺钉15，所述导向螺钉15穿过主镜安装板7上设置的导向孔，该导向孔的直径略大于导向螺钉15的直径，所述导向螺钉15的顶端设有螺母17，所述螺母17与主镜安装板7之间设有压簧19，压簧19的弹力使主镜侧浮动板9弹性贴靠在主镜安装板7的板面上；所述主镜安装板7上还设有顶丝21，所述顶丝21与主镜安装板7上设置的螺纹孔构成螺纹配合，且顶丝21顶端抵靠在主镜侧浮动板9上用于调节主镜侧浮动板9的角度；所述顶丝21设有两组，两组顶丝21分别设置在主镜安装板7的上部和侧部，分别用于调节主镜侧浮动板9的俯仰角和横向偏转角；所述主镜1安装在主镜侧浮动板9上。
进一步的，所述副镜3活动设置在副镜安装板11上，使副镜3的两球面镜的俯仰角和横向偏转角可调。
如图9所示，本实施例优选采用如下装配方式：所述副镜安装板11上设有两块副镜侧浮动板13，所述副镜侧浮动板13上设有与副镜侧浮动板13板面垂直的导向螺钉15，所述导向螺钉15穿过副镜安装板11上设置的导向孔，该导向孔的直径略大于导向螺钉15的直径，所述导向螺钉15的顶端设有螺母17，所述螺母17与副镜安装板11之间设有压簧19，压簧19的弹力使副镜侧浮动板13弹性贴靠在副镜安装板11的板面上；所述副镜安装板11上还设有顶丝21，所述顶丝21与副镜安装板11上设置的螺纹孔构成螺纹配合，且顶丝21顶端抵靠在副镜侧浮动板13上，用于调节副镜侧浮动板13的角度；副镜安装板11上对应每块副镜侧浮动板13各设有两组顶丝21，两组顶丝21分别对应副镜侧浮动板13的上部和侧部设置，用于调节副镜侧浮动板13的俯仰角和横向偏转角；所述副镜3的两块球面镜分别安装在两块副镜侧浮动板13上。
进一步的，如图6所示，所述主镜安装板7和副镜安装板11的上下两端通过两横梁23相连；所述横梁与管状壳体的端板相连；所述主镜1的球面镜和副镜3的球面镜半径相同，且主镜1与副镜3之间的距离等于球面镜的半径。
所述主镜1和副镜3的反射面上均镀有用于提高反射率的反射膜，所述反射膜为镀金、镀铝或镀银，本实施例优选镀金层作为反射层。
所述管状壳体上远离入光窗口29和出光窗口31一端的端面上设有压力表271和调整孔272，压力表271用于测量池内气体压强，为定量分析提供数据，调整孔272能够在不拆池子的情况下，对副镜3的角度进行调节。
当不需要那么长的光程时，可以通过调整两块副镜3的角度，使光束不经过直角反射镜5，只在主镜1和副镜3之间多次反射后直接射出窗口，当需要较大光程时才经过直角反射镜5
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种超微量气体浓度检测系统，其特征在于：包括光源及其耦合光路(41)、吸收池、干涉仪(37)和红外探测器(39)；
所述吸收池包括两端封口的管状壳体(25)，以及管状壳体(25)内部设置的反射组件；
所述管状壳体(25)的其中一端面上设有入光窗口(29)和出光窗口(31)，所述入光窗口(29)和出光窗口(31)上均设有透红外波段材料制成的窗片；所述入光窗口(29)的外侧与光源及其耦合光路(41)正对设置，所述出光窗口(31)的外侧与干涉仪(37)的入光口正对设置，干涉仪(37)的出光口与红外探测器(39)正对设置；所述管状壳体(25)的圆周面的两端分别设有进气口(33)和出气口(35)；所述进气口(33)和出气口(35)均与气体浓度待测空间连通，所述进气口(33)或出气口(35)上设有用于将待测空间内的气体抽进样品吸收池的气泵(43)；
所述反射组件包括主镜(1)和副镜(3)，所述主镜(1)由一块球面镜构成，所述副镜(3)由两块球面镜即第一球面镜(3a)和第二球面镜(3b)构成，所述主镜(1)和副镜(3)的镜面相对设置，且主镜(1)位于入光窗口(29)和出光窗口(31)所在的一端；入射光束从主镜(1)一侧射入，并打在副镜(3)的第一球面镜(3a)上，经第一球面镜(3a)反射后会聚在主镜(1)上，然后依次按照第二球面镜(3b)、主镜(1)、第一球面镜(3a)、主镜(1)、第二球面镜(3b)的顺序经过多次循环反射，直至副镜(3)的反射光束偏出主镜(1)的镜面区域，副镜(3)反射的会聚光束在主镜(1)上形成多个光斑；所述主镜(1)的边缘附近还设有直角反射镜(5)，所述直角反射镜(5)设置在偏出主镜(1)镜面区域的光斑对应位置处，利用直角反射镜(5)可以将光束偏移后沿原方向返回的特性，使该光斑在主镜(1)上的位置产生偏移，并使光束沿原方向返回，从而使反射次数加倍；
所述主镜(1)活动设置在主镜安装板(7)上，使主镜(1)的俯仰角和横向偏转角可调；
所述主镜安装板(7)上设有主镜侧浮动板(9)，所述主镜侧浮动板(9)上设有与主镜侧浮动板(9)板面垂直的导向螺钉(15)，所述导向螺钉(15)穿过主镜安装板(7)上设置的导向孔，该导向孔的直径略大于导向螺钉(15)的直径，所述导向螺钉(15)的顶端设有螺母(17)，所述螺母(17)与主镜安装板(7)之间设有压簧(19)，压簧(19)的弹力使主镜侧浮动板(9)弹性贴靠在主镜安装板(7)的板面上；所述主镜安装板(7)上还设有顶丝(21)，所述顶丝(21)与主镜安装板(7)上设置的螺纹孔构成螺纹配合，且顶丝(21)顶端抵靠在主镜侧浮动板(9)上用于调节主镜侧浮动板(9)的角度；所述顶丝(21)设有两组，两组顶丝(21)分别设置在主镜安装板(7)的上部和侧部，分别用于调节主镜侧浮动板(9)的俯仰角和横向偏转角；所述主镜(1)安装在主镜侧浮动板(9)上。
2.根据权利要求1所述的超微量气体浓度检测系统，其特征在于：所述主镜(1)的镜面大致呈T型，T形镜面两侧的空缺区域分别构成入光口和出光口，该入光口和出光口分别与管状壳体上的入光窗口和出光窗口正对设置，入射光束从主镜(1)背后穿过入光口后打在副镜(3)的第一球面镜(3a)上，经多次反射后由第二球面镜(3b)反射至出光口；所述主镜(1)镜面两侧的空缺区域各设有一个直角反射镜(5)，光束反射过程中在两个直角反射镜(5)上分别反射一次。
3.根据权利要求1所述的超微量气体浓度检测系统，其特征在于：所述副镜(3)活动设置在副镜安装板(11)上，使副镜(3)的两球面镜的俯仰角和横向偏转角可调。
4.根据权利要求3所述的超微量气体浓度检测系统，其特征在于：所述副镜安装板(11)上设有两块副镜侧浮动板(13)，所述副镜侧浮动板(13)上设有与副镜侧浮动板(13)板面垂直的导向螺钉(15)，所述导向螺钉(15)穿过副镜安装板(11)上设置的导向孔，该导向孔的直径略大于导向螺钉(15)的直径，所述导向螺钉(15)的顶端设有螺母(17)，所述螺母(17)与副镜安装板(11)之间设有压簧(19)，压簧(19)的弹力使副镜侧浮动板(13)弹性贴靠在副镜安装板(11)的板面上；所述副镜安装板(11)上还设有顶丝(21)，所述顶丝(21)与副镜安装板(11)上设置的螺纹孔构成螺纹配合，且顶丝(21)顶端抵靠在副镜侧浮动板(13)上，用于调节副镜侧浮动板(13)的角度；副镜安装板(11)上对应每块副镜侧浮动板(13)各设有两组顶丝(21)，两组顶丝(21)分别对应副镜侧浮动板(13)的上部和侧部设置，用于调节副镜侧浮动板(13)的俯仰角和横向偏转角；所述副镜(3)的两块球面镜分别安装在两块副镜侧浮动板(13)上。
5.根据权利要求3所述的超微量气体浓度检测系统，其特征在于：所述主镜安装板(7)和副镜安装板(11)的上下两端通过两横梁(23)相连，所述横梁与管状壳体的端板(27)相连；所述主镜(1)的球面镜和副镜(3)的球面镜半径相同，且主镜(1)与副镜(3)之间的距离等于球面镜的半径。
6.根据权利要求1所述的超微量气体浓度检测系统，其特征在于：所述主镜(1)和副镜(3)的反射面上均镀有用于提高反射率的反射膜，所述反射膜为镀金、镀铝或镀银。
7.根据权利要求5所述的超微量气体浓度检测系统，其特征在于：所述管状壳体上远离入光窗口(29)和出光窗口(31)一端的端面上设有压力表(271)和调整孔(272)，压力表(271)用于测量池内气体压强，为定量分析提供数据，调整孔(272)能够在不拆池子的情况下，对副镜(3)的角度进行调节。
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