CN107345904B - 基于光学吸收和干涉法检测气体浓度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于光学吸收和干涉法检测气体浓度的方法及装置，所述方法为将光源照射在分光镜上得到同光源具有半波长光程差的两束相干光束，两束相干光束经相同光程分别照射参比气体和样气气体后反射至同一路径发生干涉，经光电检测器检测干涉后零级条纹处光强度，所述装置包括光发射器、分光镜、参比气室、样气气室、全反镜及光电检测器。与现有的基于光学吸收的气体浓度检测装置相比，该方法具有检测限低，分辨率高的特点，可有效检测低含量气体的浓度值。

Description

基于光学吸收和干涉法检测气体浓度的方法及装置

技术领域

本发明属于气体浓度检测领域，尤其涉及一种基于光学吸收和干涉法检测气体浓度的方法及装置。

背景技术

当前污染源和大气中特定气体检测中，基于光学吸收原理进行检测的仪器基本上都是基于朗伯-比尔定律的。其原理是通过检测特定波长的光经过样气后，部分光能量被样气中的特定组分吸收，首先利用光电检测器检测出光源发出的光的初始能量作为参比光，然后检测出经过样气吸收后的出射光能量，和参比光进行比对计算后可以计算出样气对特定波长的吸光度。不同气体的吸收波长不同，根据朗伯-比尔定律，吸光度大小和样气中与波长对应的有害气体组分的浓度成正比，因此通过测量计算出特定波长的吸光度变化可以计算出对应的有害气体浓度。

随着人们环保意识的增强，以及对有害气体危害的深刻认知，气体浓度的检测要求也越来越高，检测设备需精确的检测出更低含量气体的浓度值。然而， 当样气中的待测气体浓度较低时，气体吸光度很小，因此被吸收的光能量占比很小，即被测气体浓度信息光信号能量占比小，而光谱仪的灵敏度、动态范围和信噪比有限，以至于被测气体吸收的光能量数值上接近光谱仪本身的噪声大小，被测气体产生的光电信号的信噪比很低，所以能够实现的气体浓度检出限高，而浓度分辨率低，难以满足目前环境监测对污染物浓度提出的更低检出限和更高分辨率的要求。

发明内容

本发明针对上述的技术问题，提出一种基于光吸收原理，并结合干涉法的气体浓度检测方法，该方法在采用现有光电检测器的状况下，可极大的提高检测仪器的分辨率和检出限性能，有效检测低含量气体的浓度。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于光学吸收和干涉法检测气体浓度的方法，将光源照射在分光镜上得到能量相同的两束相干光束，分别照射参比气体和样气气体后经过一个半反半透镜合束至同一路径发生等厚干涉，经光电检测器检测干涉后暗条纹处光强度。

作为优选，两光束光路光程相同，在两束光的光路中设置具有半反半透膜或反射膜的反射镜，使其中一路光束反射时发生半波损失，另一路光束不发生半波损失，从而使两束光位相相反，干涉时相互抵消。

作为优选，所述光源照射方向与分光镜夹角为45°。

作为优选，所述光源发射的光为红外光、可见光或紫外光。

作为优选，所述光电检测器为光谱仪，检测不同波长的光线强度。

作为优选，所述光电检测器通过汇聚透镜增加检测光强。

本发明还提出一种基于光学吸收和干涉法检测气体浓度的装置，包括光发射器、分光镜、参比气室、样气气室、全反镜及光电检测器，所述光发射器发射入射光与分光镜呈45°，经分光后分为反射光和透射光，两束光分别照射参比气室和样气气室后，经设置在气室后的反光镜反射回分光镜，合束后同方向射出的两束光产生干涉，光电检测器检测零级条纹处光线强度。

作为优选，所述分光镜光入射面设置有半反半透膜，所述反射光光路上设置有补偿镜。

本发明还提出一种基于光学吸收和干涉法检测气体浓度的装置，包括光发射器、分光镜、气室、直角反射棱镜及光电检测器，所述光发射器发射入射光呈45°照射分光镜，所述分光镜光入射面间隔设置有半反半透膜，另一面设置有全反膜，所述气室经两块隔板分割为两侧的两个参比气室和中间的样气气室；所述直角棱镜的一个直角边的上半部分或者下半部分设置有折射率大于其本身的介质反射膜或金属反射膜，直角边的其余部分反射膜的折射率小于直角棱镜本身的折射率；或者所述直角棱镜的一个直角边的上半部分或者下半部分设置有折射率小于其本身的介质反射膜，直角边的其余部分反射膜的折射率大于直角棱镜本身的折射率，并且直角边各处反射率相同。

作为优选，所述分光镜另一面设置有全反膜。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明所述的检测气体浓度的装置相比于现有的吸光度发检测气体浓度的方法，大大提高了光电检测器接收到的光信号中气体浓度信息的能量占比，在采用相同光电检测器的情况下，能够大幅度提高检测气体的分辨率和检出限性能1个数量级以上，从而获得更低的检出限和更高的分辨率。

2、相比于现有的低浓度检测方法荧光法或者离子色谱法，本发明实时性好，能够快速检测特定气体浓度，并且结构较为简单，能够实现便携式测量。

附图说明

图1为本发明实施例二的结构示意图；

图2为本发明实施例三的结构示意图；

上各图中：1、光发射器；2、分光镜；3、半反半透膜；4、全反膜；5、高反射率金属反射层；6、参比气室；7、进气口；8、出气口；9、样气气室；10、反光镜A；11、反光镜B；12、光电检测器；13、补偿镜；14、直角棱镜。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例做具体说明。

实施例1：一种基于光学吸收和干涉法检测气体浓度的方法，包括以下步骤：

1、将连续光谱光源发射的入射光a呈45°照射在入射面设置有半反半透膜的分光镜上；

2、入射光a经半反半透膜分为能量相等的反射光r和透射光t。由波动理论可知，入射光在光疏媒质中前进，遇到光密媒质界面时，在反射过程中产生半波损失。由于半反半透膜的折射率大于空气折射率，入射光a经空气进入半反半透膜在入射面发生反射，因此反射光r产生半波损失。

3、反射光r和透射光t分别照射容纳在相同气室内的参比气体和样气气体，气室后设置有全反镜，参比气体采用对光源无吸收的气体，如高纯氮气。

4、反射光r和透射光t分别经全反镜反射后再次经过气室，照射在分光镜上，r经分光镜后的透射光r’，与t经分光镜后的反射光t’合为同一束光。由于半反半透膜的折射率小于分光镜本体的折射率，因此t经分光镜后的反射光t’没有半波损失，并且反射光路和透射光路光学条件相同，因此r’与t’的位相相反。

5、由于样气气室9内的气体对一定波长的光具有吸收，因此t’的光强比r’减弱，r’与t’干涉相消后剩余部分光强，采用光谱仪或光电检测器检测零级条纹处的剩余光强，即对应气体吸收的部分光能，可以计算出特定波长的吸光度变化从而计算出对应的待测气体浓度。

本实施例所述的检测气体浓度的方法采用分光镜将同光源光束利用分振幅法分为两束振幅相同的相干光，其中一束光存在半波损失从而位相相反。两束光经过光学条件相同的两气室后经反射镜反射回到分光镜，再次分光后得到两束同路径的位相相反的相干光。若两气室内为吸光度相同气体，则两束相干光相消，光谱仪处光能量为0。若一个气室内装有吸光气体，基于光学吸收原理，特定波长部分光能量被样气中的特定组分吸收，则此光束中特定波长的能量减弱，那么两束光干涉相消后，将有部分光剩余，经光谱仪检测剩余光强，并根据朗伯-比尔定律即可计算出气体浓度。当两光路对称时，不同波长的光光程都相同，由于存在半波损失，发生干涉时不同波长的光都相互抵消，光电检测器接收到的是零级暗纹信号，从而可以同时获得不同波长干涉消光后的光信号。当两光路不对称时，不同波长的光的光程不同，光电检测器接收到的光只能在某个波长的处位相差为180°的奇数倍而相互抵消，其他波长的光位相差不能满足180°的奇数倍而部分相消甚至互相加强，但是在波长范围较窄时，利用一级或二级暗纹等低级数的暗纹仍然能够获得接近于同时消光的效果。当采用单一波长光源时，无需产生半波损失，只需设定光程差实现两束光位相差为180°的奇数倍同样可以较单纯的吸收法大大提高特定气体浓度光信号占比。与现有的基于光学吸收的气体浓度检测装置相比，该检出限低，分辨率高，可有效检测低含量气体的浓度值。

实施例2：如图1所示，一种基于光学吸收和干涉法检测气体浓度的装置，包括光发射器1、分光镜2、参比气室6、样气气室9、全反镜及光电检测器12。所述分光镜2与水平面呈45°夹角设置，所述光发射器1发射单一波长或连续光谱的入射光a水平照射在分光镜2上。所述分光镜2在入射面设置有折射率小于分光镜2基体的半反半透膜3，入射光a分为能量相同的反射光r和透射光t，由于空气与半反半透膜3相比为光疏介质，因此入射光中所有波长的反射光r发生半波损失，与透射光t位相相反。反射光r光路上设置有参比气室6，透射光t光路上设置有样气气室9。参比气室6和样气气室9两端均为全透玻璃，气室上设置有进气口7和出气口8，两气室后方均设置有全反镜。参比气室6内装有对光子无吸收或与待测气体吸收波长无重叠的参比气体，样气气室9内装有待测气体。反射光r经过参比气室6后穿出，经反光镜A10反射回分光镜2，其中一束光投过分光镜2向下射出称为r1。透射光t经过样气气室9后经反光镜B11反射回分光镜2，其中一束光经半分半透膜反射向下射出成为t1。由于分光镜2的半反半透膜3的折射率小于分光镜基体折射率，因此透射光t向下反射时不会产生半波损失。由于t和t1均从分光镜2内经过，因此在参比气室6前设置补偿镜13，补偿镜13材质和厚度均与分光镜2基体一致，平行于分光镜2安放。参比气室6与样气气室9及全反镜的安装位置均相同，因此反射光r和透射光t到达光电检测器12的光程相等。

由于r1与t1为同光源相差半波长的相干光源，因此二者产生干涉并且相消。本实施例所述光电检测器12选用光电检测器，其设置于零级条纹处，检测该处的光强。

为了增加光电检测器接收光的能量变化幅度，可采用汇聚透镜进行汇聚，能够提高检测的精度和速度。

当参比气室6和样气气室9内装有相同气体时，r1与t1完全相消，光电检测器检测到的光强为0。当样气气室9内气体对特定波长的光子进行吸收后，相消后r1仍有部分光剩余，被光电检测器检测到。检测到的光强即反映气体吸收的光能，根据朗伯-比尔定律即可计算出气体浓度。

该装置与现有的基于光学吸收的气体浓度检测装置相比，大大提高了光电检测器12接收到的光信号中气体浓度信息的占比，在采用相同光电检测器的情况下，能够大幅度提高检测气体的分辨率和检出限性能1个数量级以上，可有效检测低含量气体的浓度。

实施例3：如图2所示，一种基于光学吸收和干涉法检测气体浓度的装置，包括光发射器1、分光镜2、气室、直角棱镜14及光电检测器12。所述分光镜2与水平面呈45°夹角设置，所述光发射器1发射连续光谱的入射光a水平照射在分光镜2上。分光镜2在入射面处间隔设置有两块半反半透膜3，分光镜2的另一面设置有全反膜4。所述气室经两块隔板分割为两侧的两个参比气室6和中间的样气气室9，气室一端连接有直角棱镜14。入射光a经过半反半透膜分为反射光r和透射光t。反射光r经参比气室6后照射在直角棱镜14的直角边下半部分，该处设置有全反膜4，该反射膜折射率小于直角棱镜14的折射率，因此没有半波损失。反射后经另一直角边反射至另一参比气室6，该光束称为r1，此后经照射在分光镜2上，其中透射光经全反膜4反射后向下照射在分光镜2上，部分光发生透射向下射出，该光束称为r2。透射光t经样气气室9后照射在直角棱镜14直角边的上半部分，该部分设置有折射率大于直角棱镜14基体的高反射率金属反射层或高折射率全反射膜5，透射光t被反射向上并且发生半波损失。此后经另一直角边反射经样气气室9后照射在分光镜的半反半透膜上，其中反射光向下射出，该光束称为t2。r2与t2为同光源相干光，由于两部分光路光程相同，并且其中一路发生半波损失所以位相相反，因此产生干涉相消。通过光谱仪检测相消后的光能量，通过计算可得出样气气室9内的特定气体浓度。

与实施例2相比，本实施例所述的检测气体浓度的装置，经分光镜2和气室的独特设计，两光路的光线平行，装置结构更加紧凑。且气室一体化，可保证两光路长度一致，无需调整参比气室6和样气气室9的光路长度，更易于加工。

现有技术中也有采用干涉法观察干涉条纹移动的气体浓度检测装置，其依赖于待测气体与样气气体的折射率不同，然而当待测气体浓度较低时，折射率变化非常微小，干涉条纹移动难以监测。当监测低浓度气体时，对光学器件的制作精度要求非常高，微小偏差即导致条纹难以形成或发生偏移。而且当待测气体不是单一组分时，不同气体均影响折射率，从而无法使用。若样气中含有不止一种吸收气体，在吸收气体吸收峰没有重叠的情况下，采用本装置可通过光谱仪分析不同波长的光强度，从而同时检测多种气体的浓度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于光学吸收和干涉法检测气体浓度的方法，其特征在于：将光源照射在分光镜上得到能量相同的两束相干光束，两光束分别照射参比气体和样气气体后经过一个半反半透镜合束至同一路径发生等厚干涉，经光电检测器检测干涉后零级条纹的剩余光强；

两光束光路光程相同，在两束光的光路中设置具有半反半透膜或反射膜的反射镜，使其中一路光束反射时发生半波损失，另一路光束不发生半波损失，从而使两束光位相相反，干涉时相互抵消。

2.根据权利要求1所述的基于光学吸收和干涉法检测气体浓度的方法，其特征在于：所述光源照射方向与分光镜夹角为45°。

3.根据权利要求2所述的基于光学吸收和干涉法检测气体浓度的方法，其特征在于：所述光源发射的光为红外光、可见光或紫外光。

4.根据权利要求1所述的基于光学吸收和干涉法检测气体浓度的方法，其特征在于：所述光电检测器为光谱仪，检测不同波长的光强度。

5.根据权利要求3或4所述的基于光学吸收和干涉法检测气体浓度的方法，其特征在于：通过汇聚透镜增加光电检测器的检测光强。

6.一种基于光学吸收和干涉法检测气体浓度的装置，其特征在于：包括光发射器、分光镜、参比气室、样气气室、全反镜及光电检测器，所述光发射器发射入射光与分光镜呈45°，经分光后分为反射光和透射光，两束光分别照射参比气室和样气气室后，经设置在气室后的反光镜反射回分光镜，合束后同方向射出的两束光发生干涉，光电检测器检测零级条纹处光线强度；

所述分光镜光入射面设置有折射率小于分光镜基体的半反半透膜，所述反射光光路上设置有补偿镜。

7.一种基于光学吸收和干涉法检测气体浓度的装置，其特征在于：包括光发射器、分光镜、气室、直角棱镜及光电检测器，所述光发射器发射入射光呈45°照射分光镜，所述分光镜光入射面间隔设置有半反半透膜，另一面设置有全反膜，所述气室经两块隔板分割为两侧的两个参比气室和中间的样气气室；所述直角棱镜的一个直角边的上半部分或者下半部分设置有折射率大于其本身的介质反射膜或金属反射膜，直角边的其余部分设置有折射率小于直角棱镜本身的反射膜；或者所述直角棱镜的一个直角边的上半部分或者下半部分设置有折射率小于其本身的介质反射膜，直角边的其余部分设置有折射率大于直角棱镜本身的反射膜。

8.根据权利要求7所述的基于光学吸收和干涉法检测气体浓度的装置，其特征在于：所述分光镜另一面设置有全反膜。