CN106908407A - 一种摆动反射扫描式多组分物质非色散红外检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种摆动反射扫描式多组分物质非色散红外检测装置，涉及红外光谱检测技术领域。本发明中的多组分物质非色散红外检测装置依据不同物质对中红外光的特征吸收谱峰进行定量检测。该装置中，通过平面反射镜的快速摆动扫描，控制中红外光束相对红外探测器单元的入射方向，不仅可以实现多个红外探测器的同时针对性检测，而且可以取代额外使用的斩波器或者脉冲调制光源，对中红外光光强进行必要的脉冲调制。同时，该装置中采用单透镜设计，实现结构紧凑，降低装配难度；具有结构简单、装配容易、多种物质成分同时快速检测的优势。
Description
技术领域
本发明涉及红外光谱检测技术领域，尤其涉及一种摆动反射扫描式多组分物质非色散红外检测装置。
背景技术
随着经济和社会的快速发展，国民生活水平的不断提高，对生活质量的要求也不断丰富，与此同时，环境污染严重、食品质量堪忧、公共安全威胁等问题日益突出，对经济和社会的发展造成了严重的阻碍。针对国民的生活质量需求以及种种社会问题，其解决方案在于寻求能够快速、准确检测各种物质成分的方法，实现对需要关心、必须关注的物质进行有效的检测和监管。
红外光谱检测方法的引入，根据物质对红外光的具有特征性的吸收，实现对物质成分的定性分析和定量检测，具有快速检测、无损检测、微量检测、原位检测等显著的优势，可以满足众多领域的应用需要和发展需求，包括：医疗领域、制药领域、生物科技领域、化学化工领域、材料领域、食品药品检测领域、环境保护领域以及考古研究领域、公共安全检测领域、刑侦鉴定领域等。
目前，红外光谱检测装置主要包括：非色散型、色散型和傅里叶变换型三种，其中，非色散型通常具有结构简单、易于实现、制造成本较低的优势，能够满足物质成分相对简单的检测需求，在实际的生产生活中已经得到了广泛的应用。通常，非色散型红外光谱检测装置主要选择中红外波段，波长范围为2.5～25μm，因为该波段主要表现为分子的基频振动光谱，比较容易分辨、分离不同物质成分所对应的特征吸收谱峰。
发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：
为了实现多组分物质的检测，现有非色散型红外光谱检测装置通常需要多透镜组合使用，结构复杂，不利于装配。
发明内容
本发明提供了一种摆动反射扫描式多组分物质非色散红外检测装置，本发明通过可摆动反射镜的快速摆动扫描，控制中红外光束的入射方向，实现多种物质成分的同时检测，以及对中红外光进行必要的脉冲调制；同时，采用单透镜设计，实现结构紧凑，降低装配难度，详见下文描述：
一种摆动反射扫描式多组分物质非色散红外检测装置，所述装置包括：红外光源、样品池、会聚透镜、可摆动反射镜、红外探测器单元，
所述红外光源通过热辐射效应，产生覆盖中红外波段的发射光束；
准直后的中红外光束经过样品池中的待测物质，产生特征性吸收，中红外光束已经携带待测物质中各成分的含量信息；
会聚透镜收集并会聚特征性吸收后的中红外光束，可摆动反射镜转折中红外光束的传播光路，通过自身的摆动扫描，控制中红外光束的入射方向，使得中红外光束依次入射到红外探测器单元中的多个不同红外探测器上；
红外探测器单元中的各个红外探测器均采用在中红外波段具有高探测率的热电型探测器，将中红外光光强信息转换成电信号并记录，用于后续的数据分析，实现定量检测。
其中，所述样品池中的待测物质为固体、液体或者气体。
进一步地，所述装置还包括：
根据各种物质成分的特征吸收谱峰的不同波长位置，为红外探测器单元中的各个红外探测器集成不同波段的带通滤光窗口，实现指定特征吸收谱峰的检测。
所述红外光源与红外探测器单元中的各个红外探测器，经过会聚透镜以及可摆动反射镜成物像共轭关系。
进一步地，所述红外光源采用碳化硅材料的棒状灯芯，在中红外3～8μm波长范围，具有较高的辐射效率。
进一步地，所述红外光源装配有抛物面反射灯罩，采用镀金、镀银或铝制材料，在3～8μm波长范围，具有较高的光谱反射率。
进一步地，所述会聚透镜采用氟化钙材料，在3～8μm波长范围具有较低的光谱吸收率，用于收集并会聚特征性吸收后的中红外光束。
进一步地，所述可摆动反射镜采用镀金反射镜，在3～8μm波长范围具有较高的光谱反射率。
进一步地，所述可摆动反射镜的摆动角度达到-20°～20°。
进一步地，所述红外探测器单元中的5个气体探测器均采用热电型探测器之一的热释电探测器，在3～8μm波长范围，具有更高的探测率。
本发明提供的技术方案的有益效果是：通过可摆动反射镜的快速摆动扫描，不仅可以实现多种物质成分的同时检测，而且可以取代额外使用的斩波器或者脉冲调制光源，实现对中红外光的脉冲调制，配合单透镜的设计，具有结构简单、装配容易、多种物质成分同时快速检测的优势。
附图说明
图1是本发明提出的一种摆动反射扫描式多组分物质非色散红外检测装置的结构示意图。
图中，1为红外光源；2为样品池；3为会聚透镜；4为可摆动反射镜；5为红外探测器单元。
图中，红外光源1具体是指装配有抛物面反射灯罩的中红外光源。
图中，红外探测器单元5具体是由多个红外探测器组成，数量不限，可以根据物质成分种类进行增减，每个红外探测器均集成有指定波段的带通滤光窗口。
图中，(*)表示物像共轭关系。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
本发明实施例提供了一种摆动反射扫描式多组分物质非色散红外检测装置，参见图1，该非色散红外检测装置包括：红外光源1、样品池2、会聚透镜3、可摆动反射镜4、红外探测器单元5。
其中，红外光源1通过热辐射效应，产生覆盖中红外波段的发射光束。红外光源1装配有抛物面反射灯罩，用于收集并准直中红外光束，为了提高光源的能量利用效率。
准直后的中红外光束经过样品池2中的待测物质，产生特征性吸收，此时，中红外透射光束已经携带待测物质中各成分的含量信息。
具体实现时，样品池2中的待测物质可以是固体、液体或者气体。
会聚透镜3收集并会聚特征性吸收后的中红外光束。可摆动反射镜4转折中红外光束的传播光路，通过自身的摆动扫描，控制中红外光束的入射方向，使得中红外光束可以依次入射到红外探测器单元5中的多个不同红外探测器上。
其中，红外探测器的数量不限，可以根据物质成分种类进行增减。
红外探测器单元5中的各个红外探测器均采用在中红外波段具有高探测率的热电型探测器，将中红外光光强信息转换成电信号并记录，用于后续的数据分析，实现定量检测。
由于热电型探测器检测的是温度的变化率，因而需要对中红外光束进行脉冲调制，通常采用斩波器或者脉冲调制光源实现脉冲调制。
该装置中可摆动反射镜4摆动扫描的同时，对于每个红外探测器，均只有短暂的时间被中红外光束照射，实际效果与脉冲调制一致，可以取代斩波器或者脉冲调制光源。
为了实现不同物质成分的检测，根据各种物质成分的特征吸收谱峰的不同波长位置，为红外探测器单元5中的各个红外探测器集成不同波段的带通滤光窗口，实现指定特征吸收谱峰的检测。该具体检测的步骤为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。
红外光源1与红外探测器单元5中的各个红外探测器经过会聚透镜3以及可摆动反射镜4成物像共轭关系。
综上所述，本发明实施例通过平面反射镜的快速摆动扫描，控制中红外光束的入射方向，实现多种物质成分的同时检测。
实施例2
下面结合图1，以及具体的实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
本发明实施例提出的一种摆动反射扫描式多组分物质非色散红外检测装置，其主要结构包括：红外光源1、样品池2、会聚透镜3、可摆动反射镜4、红外探测器单元5等部分，其中，红外光源1装配有抛物面反射灯罩，红外探测器单元5由多个集成有不同指定波段带通滤光窗口的红外探测器组成。
这里描述的是一种摆动反射扫描式多组分物质非色散红外检测装置针对常见污染气体CO2、CO、HC、NOX、SOX进行定量检测的具体方案。
红外光源1采用碳化硅SiC材料的棒状灯芯，在中红外波段，尤其3～8μm波长范围，具有较高的辐射效率。红外光源1装配有抛物面反射灯罩，采用镀金、镀银或铝制材料，在3～8μm波长范围，具有较高的光谱反射率。为了获得更好的准直效果，可以使用口径较大、长度较长的抛物面反射灯罩。
准直后的中红外光束经过样品池2中的待测气体后，其中CO2、CO、HC、NOX、SOX气体成分产生特征性吸收，此时，中红外光束已经携带有待测气体中各气体成分的含量信息。
会聚透镜3采用氟化钙CaF2材料，在3～8μm波长范围具有较低的光谱吸收率，用于收集并会聚特征性吸收后的中红外光束。由于CaF2具有一定的水解性，在其表面增透膜，可以有效保护透镜，同时，提高光谱透过率。
可摆动反射镜4采用镀金反射镜，在3～8μm波长范围具有较高的光谱反射率。可摆动反射镜4通过电压信号控制驱动电机的摆动角度和摆动速率，摆动角度与电压值成正比，摆动速率与电压变化率成正比。具体而言，可摆动反射镜4的摆动角度可以达到-20°～20°。
可摆动反射镜4用于转折中红外光束的传播光路，通过自身的摆动扫描，控制中红外光束的入射方向，使得中红外光束可以依次入射到红外探测器单元5中的不同红外探测器A、B、C、D、E上。
红外探测器单元5中的5个气体探测器均采用热电型探测器之一的热释电探测器，在3～8μm波长范围，具有更高的探测率，用于将中红外光光强信息转换成电信号并记录，用于后续的数据分析，实现定量检测。
红外探测器单元5中的各个红外探测器均集成不同波段的带通滤光窗口，实现CO2、CO、HC、NOX、SOX气体特征吸收谱峰的检测。其中，带通滤光窗口的具体参数如表1所示。
表1带通滤光窗口的具体参数
| 序号 | 气体 | 中心波长/μm | 半高宽/nm |
| 1 | 4.26 | 180 | |
| 2 | CO | 4.64 | 180 |
| 3 | HC | 3.38 | 190 |
| 4 | 5.30 | 180 | |
| 5 | 7.30 | 200 |
由于热电型探测器检测的是温度的变化率，因而需要对中红外光束进行脉冲调制，通常需要额外采用斩波器或者脉冲调制光源实现脉冲调制。可摆动反射镜4摆动扫描的同时，对于每个红外探测器而言，均只有短暂的时间被中红外光束照射，因而入射的中红外光束与脉冲调制光束的效果一致，实现了斩波器或者脉冲调制光源的功能。
具体操作时，可以调节驱动电机的摆动速率，调整脉冲调制的频率。
综上所述，本发明实施例通过平面反射镜的快速摆动扫描，控制中红外光束的入射方向，实现多种物质成分的同时检测。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
Claims (10)
1.一种摆动反射扫描式多组分物质非色散红外检测装置，其特征在于，所述装置包括：红外光源、样品池、会聚透镜、可摆动反射镜、红外探测器单元，
所述红外光源通过热辐射效应，产生覆盖中红外波段的发射光束；
准直后的中红外光束经过样品池中的待测物质，产生特征性吸收，中红外光束已经携带待测物质中各成分的含量信息；
会聚透镜收集并会聚特征性吸收后的中红外光束，可摆动反射镜转折中红外光束的传播光路，通过自身的摆动扫描，控制中红外光束的入射方向，使得中红外光束依次入射到红外探测器单元中的多个不同红外探测器上；
红外探测器单元中的各个红外探测器均采用在中红外波段具有高探测率的热电型探测器，将中红外光光强信息转换成电信号并记录，用于后续的数据分析，实现定量检测。
2.根据权利要求1所述的一种摆动反射扫描式多组分物质非色散红外检测装置，其特征在于，所述样品池中的待测物质为固体、液体或者气体。
3.根据权利要求1所述的一种摆动反射扫描式多组分物质非色散红外检测装置，其特征在于，所述装置还包括：
根据各种物质成分的特征吸收谱峰的不同波长位置，为红外探测器单元中的各个红外探测器集成不同波段的带通滤光窗口，实现指定特征吸收谱峰的检测。
4.根据权利要求1所述的一种摆动反射扫描式多组分物质非色散红外检测装置，其特征在于，所述红外光源与红外探测器单元中的各个红外探测器，经过会聚透镜以及可摆动反射镜成物像共轭关系。
5.根据权利要求1所述的一种摆动反射扫描式多组分物质非色散红外检测装置，其特征在于，所述红外光源采用碳化硅材料的棒状灯芯，在中红外3～8μm波长范围，具有较高的辐射效率。
6.根据权利要求1所述的一种摆动反射扫描式多组分物质非色散红外检测装置，其特征在于，所述红外光源装配有抛物面反射灯罩，采用镀金、镀银或铝制材料，在3～8μm波长范围，具有较高的光谱反射率。
7.根据权利要求1所述的一种摆动反射扫描式多组分物质非色散红外检测装置，其特征在于，所述会聚透镜采用氟化钙材料，在3～8μm波长范围具有较低的光谱吸收率，用于收集并会聚特征性吸收后的中红外光束。
8.根据权利要求1所述的一种摆动反射扫描式多组分物质非色散红外检测装置，其特征在于，所述可摆动反射镜采用镀金反射镜，在3～8μm波长范围具有较高的光谱反射率。
9.根据权利要求1所述的一种摆动反射扫描式多组分物质非色散红外检测装置，其特征在于，所述可摆动反射镜的摆动角度达到-20°～20°。
10.根据权利要求1所述的一种摆动反射扫描式多组分物质非色散红外检测装置，其特征在于，所述红外探测器单元中的5个气体探测器均采用热电型探测器之一的热释电探测器，在3～8μm波长范围，具有更高的探测率。
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