CN106990063A - 红外光谱分析仪 - Google Patents

Abstract

一种红外光谱分析仪，用于检测待测气体的浓度，包括：发光器，用于发射穿过待测气体的光线；探测器，用于接收发光器发出且穿过待测气体的光线；滤光片，用于对发光器发出且穿过待测气体的光线进行滤光；所述滤光片设置有使穿过待测气体的光线通过的透光通道。红外光谱分析仪结构简单，成本低，滤光片设置透光通道，将未穿过滤光片的光作为参考，通过归一化，能够补偿功率波动和非吸收性损失。

Description

红外光谱分析仪

技术领域

本发明属于光谱测量领域，尤其涉及一种能够对多种气体进行测量的红外光谱分析仪。

背景技术

因为成本低，可靠性好，使用红外热辐射光源和热电探测器是一种气体分析普遍采用的技术。工作的基本原理是通过红外光源的驱动电压、驱动电流，改变光源的辐射功率和温度，根据普朗克黑体辐射定律，光源的辐射光谱的峰值会移动，线型会变化。在探测器的窗口加窄带滤波片，滤波片选择某种气体的吸收峰，测量透射光强。再辅之以参考通道进行功率的归一化，得到透射率，进而反演光程中的待测气体浓度。

虽然结构简单，但是存在三个缺陷：1、无法解决光源本身的光谱漂移，由于外界温度变化、器件老化、驱动电流漂移等原因；2、存在干扰的问题，由于各种烷烃气体的吸收带很近，但是滤波片的带宽比谱线的带宽又宽很多，比如待测气体的背景中含有乙烷，则甲烷的吸收峰也会造成吸收增强；3、一个探测器配一个滤波片，要想多种气体分析，系统会非常庞大。

当然，采用色散分光和列阵探测器进行多组分分析原理上也是可行的，但是在中红外的列阵探测器技术先进，该项技术和产品在中国还没有。国际上DexterResearch公司的SLA64线阵探测器，使用64个独立的热电偶探测单元。由于该产品因为技术的敏感性，在出口控制的名单上。

基于全谱采集原理的多组分红外气体分析仪也是有的，比如美国的MKS公司的TFS^TMTunable Filter Spectroscopy可以测量从C1-nC6的多种组份，利用了可变滤波专利技术(公开号：US8896839、US20150103354)。采用了旋转滤波片，光线的入射角从0-90度变化，使其在光传播方向的等效距离变化，根据光学干涉的原理，其共振透射波长也会变化，从而完成对全波长的扫描。基于全谱，采用通用的多变量分析算法可以分析多种组份，有效解决组分间的光谱干扰问题。当然，这样使用滤波片也存在一些问题，因为光线的透射率会因为入射角度的变化而变化，影响光谱透射率的计算，光谱扫描非线性，限制了其性能的进一步发挥。

在红外光谱分析仪上使用带通的线性可变滤波片(LVF)技术(公开号：CN103217730A)，其透射波长或者反射波长随着位置变化而变化，也可以实现全谱扫描。但是目前的滤波片是一种精确镀膜的滤光片，制作步骤复杂，控制精度要求高，因而它的成本也很高。比如Edmund公司的Linear Variable NIR Band Pass Filter，单只售价高达人民币14962.5元。

发明内容

本发明针对上述目前进行多组分分析的光谱仪器存在光谱漂移、相互干扰、系统庞大、性能不稳定、成本高等技术问题，提出一种光谱扫描线性度高、系统简单、成本低的多组分分析红外光谱分析仪。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种红外光谱分析仪，用于检测待测气体的浓度，包括：

发光器，用于发射穿过待测气体的光线；

探测器，用于接收发光器发出且穿过待测气体的光线；

滤光片，用于对发光器发出且穿过待测气体的光线进行滤光；

所述滤光片设置有使穿过待测气体的光线通过的透光通道。

作为优选，所述探测器包括用于接收通过滤光片的光线的气体检测单元以及用于接收通过透光通道的光线的参比检测单元。

作为优选，所述滤光片为环形，透光通道位于滤光片的中心，所述滤光片的厚度沿周向逐渐增大。

作为优选，所述滤光片周向分为多个扇形的滤光区，所述滤光区位于一侧用于使光线入射的入射面与位于另一侧用于使光线出射的出射面相互平行。

作为优选，相邻滤光区的厚度差相同。

作为优选，所述滤光区的透射频率和波长分比为υ和λ，

其中，c为真空中的光速，n为滤光片的折射率，k为干涉级次，θ为光线的入射角，d为对应滤光区的厚度。

作为优选，所述滤光片连接有驱动其旋转的驱动马达。

作为优选，所述发光器包括用于容纳待测气体的检测通道，检测通道一端安装有光源以及对光源进行准直的抛物面镜，另一端安装有将光线汇聚的聚光透镜。

作为优选，所述发光器进一步包括控制光源的控制器以及与控制器相连并能够测量检测通道温度的测温元件。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、红外光谱分析仪结构简单，成本低，滤光片设置透光通道，将未穿过滤光片的光作为参考，通过归一化，能够补偿功率波动和非吸收性损失。

2、滤波片为圆环状阶梯线性分布的带通滤波片，波长的扫描是线性的，利用多变量分析算法进行多组份分析，能够分析出待测气体中多种成分各自的浓度，制造流程简单，成本低。

3、发光器设置聚光透镜，对光强信号能够有2个数量级的增强效果。

附图说明

图1为红外光谱分析仪的结构示意图；

图2为滤光片的结构示意图；

以上各图中：1、发光器；1.1、检测通道；1.2、光源；1.3、抛物面镜；1.4、聚光透镜；2、探测器；2.1、气体检测单元；2.2、参比检测单元；3、滤光片；3.1、透光通道；3.2、滤光区；3.3、入射面；3.4、出射面；4、驱动马达。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1至2所示，红外光谱分析仪，用于检测待测气体的浓度，包括：发光器1，用于发射穿过待测气体的光线；探测器2，用于接收发光器1发出且穿过待测气体的光线；滤光片3，用于对发光器1发出且穿过待测气体的光线进行滤光。

其中滤光片3设置有使穿过待测气体的光线通过的透光通道3.1，透光通道3.1作为参考通道，让光线无损通过。

发光器发出的光线，穿过待测气体后，一部分穿透滤光片3，然后被探测器2接收，光线射入到滤光片3的本体内，滤光片3的本体对光线进行滤光；另一部分通过透光通道3.1，然后被探测器2接收，光线未进入到滤光片3本体内部，未被滤光片3的本体进行滤光。

发光器1包括用于容纳待测气体的检测通道1.1，检测通道1.1一端安装有光源1.2以及对光源1.2进行准直的抛物面镜1.3，另一端安装有将光线汇聚的聚光透镜1.4。

待测气体充入到检测通道1.1内，在检测通道1.1内均匀分布，保证检测准确性。光源1.2发出的光线通过抛物面镜1.3准直，光线均平行通过检测通道1.1，使各个光线通过待测气体的光程相同，以便能够进行多变量分析。聚光透镜1.4最后将平行通过检测通道1.1的光线汇聚，射向滤光片3或透光通道3.1，聚光透镜1.4也到了对光强信号两个数量级的增强效果。

探测器2包括用于接收通过滤光片3的光线的气体检测单元2.1以及用于接收通过透光通道3.1的光线的参比检测单元2.2。

气体检测单元2.1检测被滤光片3滤光后光线的透射光强I_i，参比检测单元2.2检测为通过透光通道3.1而未被滤光片3滤光的光线的透射光强I_r。

滤光片3为环形，透光通道3.1位于滤光片3的中心，滤光片3的厚度沿周向逐渐增大。

滤光片3连接有驱动其旋转的驱动马达4。

滤光片3周向分为多个扇形的滤光区3.2，滤光区3.2中位于一侧用于使光线入射的入射面3.3与位于另一侧用于使光线出射的出射面3.4相互平行。

滤光区3.2的数量为N个，周向顺时针或逆时针依次按照序列号1至N进行编号。滤光区3.2的厚度按照序列号从第1个至第N个，厚度依次递增。

相邻滤光区3.2的厚度差相同，使滤光区3.2的递增呈线性变化。序列号为i的滤光区厚度d_i＝d₁+a×(i-1)，其中a是相邻滤光区3.2的厚度差，d₁为序列号为1的滤光区厚度(即第一个滤光区的厚度)。

每个滤光区3.2的厚度是均匀的，滤光区3.2的入射面3.3和出射面3.4平行，构成一个标准具Etalon，形成Fabry–Pérot干涉。其中滤光区厚度差a、滤光区数量n和第一个滤光区3.2的厚度d₁决定了扫描范围。

滤光区3.2透射频率和波长分比为υ和λ，因此序列号为i的滤光区透射频率和波长分比为υ_i和λ_i，

其中，c为真空中的光速，n为滤光片3的折射率，k为干涉级次，θ为光线的入射角，d_i为序列号为i的滤光区的厚度。

滤光片3的折射率n，由滤光片3本身的材料决定。

滤光区3.2序列号i对应共振透射波长与基频波长的倍数。光线的入射角θ近似为0度。

干涉级次k为整数，根据光源、镀膜、滤波片厚度等因素设定，滤光区厚度较大时，干涉级次k取值也较大，滤光区厚度较小时，干涉级次k取值也较小。由于n、θ、k均为固定值，d_i在滤光片周向上呈线性变化，因此波长λ_i也呈线性变化，以便后续进行多变量分析。K的取值大小，仅影响滤光片中滤光区波长数据的分布的疏密度，即滤光片的光谱分布程度，不影响通过多变量分析进行多组分气体浓度的计算。

滤光片3中滤光区3.2的厚度分布、透射频率和波长，使其形成呈圆环状阶梯线性分布的带通滤波片，滤波特性主要有等效距离决定，从而不要高精度的镀膜工艺流程，制造流程简单，成本低。

根据待测气体吸收光谱的波长范围，在滤光区表面镀膜，增加光的透射率。由于滤光区上镀膜的波长范围和反射率，影响每个滤光区的透射波长λ_i和带宽，所以滤光片3的透射谱是镀膜透射函数和离散波长的乘积。

加工滤波片3时，先对基片进行机械加工，加工成为圆环状，径向厚度均匀，周向呈现多重阶梯分布，在根据测量需要进行镀膜。机械加工精度高，简单易控制，成本极大降低。

驱动马达4驱动滤光片3匀速旋转一周，为一个扫描周期，探测器2完成对滤光片3的透射波长λ₁到λ_i的一次扫描。由于一个扫描周期中滤光区3.2的递增呈线性变化，使滤光片3匀速旋转完成的波长扫描也为线性。

在一个扫描周期中，滤光区按照序列号依次与探测器2对齐，探测器2依次测得每个滤光区对应的透射光强I_i和I_r。一个扫描周期中，光线在滤光片3表面的入射角θ不变，镀膜的反射率是个常量。

将一个扫描周期中透射率T_i＝I_i/I_r作为归一化的透射光谱。通过归一化，补偿了功率波动和非吸收性损失。

由于已知检测通道1.1的光程长，归一化的透射光谱根据多变量分析算法的校准模型，推算出待测气体中多个目标气体各自的浓度，实现多组分的测量。

为了保证测量结果的稳定性和吸收信号的强度，红外光谱分析仪还包括控制光源1.2的控制器以及与控制器相连并能够测量检测通道1.1温度的测温元件。

光源1.2为工作在高温的黑体辐射光源，黑体辐射光源采用MEMS传感器，使用一层薄膜电阻片，内部是纳米结构的钻石形状的非晶碳原子，是纯阻性器件。

光源1.2使用脉冲调制，与探测器2结合使用，利用调制解调的微弱信号处理技术，使在该调制频率上降低闪烁噪声(1/f噪声)。

以烃类气体、碳氧化合物等测量目标为例，需要将作为辐射源的光源1.2温度稳定在温度T，温度T为500～600℃。由于烃类气体、碳氧化合物等测量目标在3到5微米区域存在很强的基频吸收辐射峰值，所以在温度T下光源1.2的辐射峰值位于待测气体的吸收峰处，从而保证测量结果的稳定性和吸收信号的强度。

通过实验法，将辐射源温度始终控制在T，记录相对应的环境温度T_R与驱动电流I，得出实验表格，并进行函数拟合即I＝f(T_R)。

测温元件测量检测通道1.1的环境温度，控制器根据测得的环境温度以及函数拟合得出的公式，控制光源1.2的驱动电流相应变化，从而使光源1.2的温度稳定在T上，进而将光源1.2的能谱分布聚集在3到4微米的烃类气体、碳氧化合物等有机气体的强吸收区，同时维持它们足够的发射强度，使光源1.2始终按照设定的谱型辐射，保证测量结果的稳定性。

Claims (9)

1.一种红外光谱分析仪，用于检测待测气体的浓度，其特征在于，包括：

发光器(1)，用于发射穿过待测气体的光线；

探测器(2)，用于接收发光器(1)发出且穿过待测气体的光线；

滤光片(3)，用于对发光器(1)发出且穿过待测气体的光线进行滤光；

所述滤光片(3)设置有使穿过待测气体的光线通过的透光通道(3.1)。

2.根据权利要求1所述的红外光谱分析仪，其特征在于，所述探测器(2)包括用于接收通过滤光片(3)的光线的气体检测单元(2.1)以及用于接收通过透光通道(3.1)的光线的参比检测单元(2.2)。

3.根据权利要求1所述的红外光谱分析仪，其特征在于，所述滤光片(3)为环形，透光通道(3.1)位于滤光片(3)的中心，所述滤光片(3)的厚度沿周向逐渐增大。

4.根据权利要求3所述的红外光谱分析仪，其特征在于，所述滤光片(3)周向分为多个扇形的滤光区(3.2)，所述滤光区(3.2)中位于一侧用于使光线入射的入射面(3.3)与位于另一侧用于使光线出射的出射面(3.4)相互平行。

5.根据权利要求4所述的红外光谱分析仪，其特征在于，相邻滤光区(3.2)的厚度差相同。

6.根据权利要求4或5所述的红外光谱分析仪，其特征在于，所述滤光区(3.2)的透射频率和波长分比为υ和λ，

$\mathrm{\υ}=\frac{c}{2ndcos\mathrm{\θ}}k;$

$\mathrm{\λ}=\frac{2ndcos\mathrm{\θ}}{k};$

其中，c为真空中的光速，n为滤光片(3)的折射率，k为干涉级次，θ为光线的入射角，d为对应滤光区(3.2)的厚度。

7.根据权利要求3所述的红外光谱分析仪，其特征在于，所述滤光片(3)连接有驱动其旋转的驱动马达(4)。

8.根据权利要求1所述的红外光谱分析仪，其特征在于，所述发光器(1)包括用于容纳待测气体的检测通道(1.1)，检测通道(1.1)一端安装有光源(1.2)以及对光源(1.2)进行准直的抛物面镜(1.3)，另一端安装有将光线汇聚的聚光透镜(1.4)。

9.根据权利要求8所述的红外光谱分析仪，其特征在于，所述发光器(1)进一步包括控制光源(1.2)的控制器以及与控制器相连并能够测量检测通道(1.1)温度的测温元件。