CN108519344A - 一种多组分气体分析傅里叶红外光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多组分气体分析傅里叶红外光谱仪，包括激光器、红外光源部件、离轴抛物面反射镜、干涉仪、长光程吸收池、红外探测器和气泵；激光器用于提供控制干涉仪的参考光束；气泵将待测气体抽吸到长光程吸收池及排出；红外光源部件设置在干涉仪的入光口，红外光源部件出射的红外光经离轴抛物面反射镜准直后，进入干涉仪形成红外干涉光；红外干涉光经离轴抛物面反射镜耦合后进入长光程吸收池，红外干涉光与待测气体反应后出射，形成带有待测气体分子信息的红外干涉信号，红外探测器探测到所述红外干涉信号后传输给数据处理模块，经数据处理模块处理得到待测气体的组成成分及浓度。本发明能够实现在线对多组分气体定性、定量测量分析。
Description
技术领域
本发明涉及光谱仪技术领域，具体涉及一种多组分气体分析傅里叶红外光谱仪。
背景技术
为了解决严峻的环境污染问题，寻求一种强有力的监测手段是必不可少的。近年来，傅里叶红外光谱仪(FTIR)由于其测量速度快、探测波数范围宽、可同时测量多种组分的显著优势被广泛应用于大气、水源中污染物的检测领域，尤其利于对突发性灾害事件中环境安全的紧急检测。
傅里叶红外光谱仪在实验室中已得到广泛的应用，然而在工业现场、应急检测环境下，由于实验室的傅里叶红外光谱仪体积庞大，能耗高，易受到潮湿、振动、温度、湿度等环境因素影响，难以正常工作，并且在一般情况下，傅里叶红外光谱仪只能定性分析气体组成成分，不能快速精确定量计算气体浓度等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种多组分气体分析傅里叶红外光谱仪，能够实现在线对多组分气体定性、定量测量分析。
本发明的具体实施方式如下：
一种多组分气体分析傅里叶红外光谱仪，包括底座、激光器、红外光源部件、离轴抛物面反射镜、干涉仪、长光程吸收池、红外探测器和气泵；
所述激光器、红外光源部件、离轴抛物面反射镜、干涉仪、长光程吸收池、红外探测器和气泵均固定在所述底座上；所述激光器设置在干涉仪的出光口，用于提供控制干涉仪的参考光束；所述气泵用于将待测气体抽吸到长光程吸收池及排出；所述红外光源部件设置在干涉仪的入光口，红外光源部件出射的红外光经离轴抛物面反射镜准直后，进入干涉仪形成红外干涉光；所述红外干涉光经离轴抛物面反射镜耦合后进入长光程吸收池，所述红外干涉光与待测气体反应后出射，形成带有待测气体分子信息的红外干涉信号，红外探测器探测到所述红外干涉信号后传输给数据处理模块，经所述数据处理模块处理得到待测气体的组成成分及浓度。
进一步地，所述长光程吸收池出光口出设有离轴抛物面反射镜，所述离轴抛物面反射镜将反应后的红外干涉光聚焦整形到所述红外探测器。
进一步地，所述干涉仪包括基座、双角镜扭摆动镜、分束镜、固定反射镜和音圈电机；
所述双角镜扭摆动镜、分束镜、固定反射镜和音圈电机固定在所述基座上，所述音圈电机与所述双角镜扭摆动镜连接，当电流驱动音圈电机带动双角镜扭摆动镜发生转动时，双角镜扭摆动镜与固定反射镜之间形成光程差，红外光经过双角镜扭摆动镜与固定反射镜反射在分束镜再次相遇时，形成红外干涉光。
进一步地，所述双角镜扭摆动镜包括两个立体角反射镜，固定反射镜包括两个平面反射镜，一个立体角反射镜与一个平面反射镜相对应，从而使两束红外光在分束镜形成红外干涉光。
进一步地，所述红外光源部件包括宽光谱红外光源、凹面集光反射镜和光源散热底座；
所述宽光谱红外光源与凹面反射镜均固定在光源散热座上，宽光谱红外光源位于凹面反射镜光轴线上，凹面反射镜对红外光源发射的红外光聚焦整形。
进一步地，所述长光程吸收池下设有加热装置。
有益效果：
1、本发明加入了长光程吸收池，同时重新规划了傅里叶红外光谱仪的结构，利用反应后得到的红外干涉信号实现在线对多组分气体定性、定量测量分析，不仅能够定性分析气体组成成分，而且可以快速精确定量计算气体浓度等。
2、本发明利用离轴抛物面反射镜将反应后的红外干涉光聚焦整形到红外探测器，提升了探测精度。
3、本发明干涉仪的光程差是传统干涉仪光程差的2倍，因此在相同的转动角度下，该仪器具有更高的分辨率；同时，采用的立体角反射镜具有较强的抗震性。
附图说明
图1为本发明的整体结构布局图；
图2为红外光源部件的结构示意图；
图3为干涉仪的俯视图；
图4为干涉仪的后视图；
图5为多组分气体分析傅里叶红外光谱仪光路图。
其中，1-底座，2-激光器，3-红外光源部件，301-宽光谱红外光源，302-凹面集光反射镜，303-光源散热座，4-离轴抛物面反射镜，401-离轴抛物面准直反射镜，402-离轴抛物面耦合反射镜，403-离轴抛物面聚焦反射镜，5-干涉仪，501-干涉仪基座，502-双角镜扭摆动镜，503-分束镜，504-固定反射镜，505-音圈电机，6-长光程吸收池，7-红外探测器，8-气泵，
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
基于迈克尔逊干涉、快速傅立叶变换以及朗博比尔特定律等技术，本发明提供了一种多组分气体分析傅里叶红外光谱仪，包括底座1、激光器2、红外光源部件3、离轴抛物面反射镜4、干涉仪5、长光程吸收池6、红外探测器7和气泵8，如图1所示。
如图1所示，激光器2固定在底座1，采HeNe激光器，功耗为10mv，设置在干涉仪5的出光口，在左侧经过干涉仪5形成干涉后，作为控制干涉仪5的参考光束。
如图2所示，红外光源部件3固定在底座1，设置在干涉仪5的入光口，包括宽光谱红外光源301、凹面集光反射镜302和光源散热座303。宽光谱红外光源301与凹面反射镜302固定在光源散热座303上，宽光谱红外光源301位于凹面集光反射镜302光轴线上，凹面集光反射镜302具有对宽光谱红外光源301聚焦整形的作用，光源散热座303具有散热作用。
离轴抛物面反射镜4固定在底座1，包括离轴抛物面准直反射镜401、离轴抛物面耦合反射镜402和离轴抛物面聚焦反射镜403。离轴抛物面准直反射镜401位于干涉仪右侧入光口，离轴抛物面准直反射镜401与凹面集光反射镜302共焦点、同光轴，用于准直经过凹面反射镜302集光整形的红外光束。离轴抛物面耦合反射镜402位于干涉仪左侧出光口，距离长光程吸收池6入光口80mm，用于红外光束经过干涉仪5后形成的红外干涉光耦合在长光程吸收池6。离轴抛物面聚焦反射镜403位于长光程吸收池6左侧出光口，用于聚焦经过长光程吸收池6反应后的红外干涉光到红外探测器7。
如图3、图4所示，干涉仪5固定在底座1，包括干涉仪基座501、双角镜扭摆动镜502、分束镜503、固定反射镜504和音圈电机505。双角镜扭摆动镜502、分束镜503、固定反射镜504和音圈电机505固定在干涉仪基座501。双角镜扭摆动镜502包括两个立体角反射镜，能够实现仪器在各种恶劣的振动环境下，当平光入射到立体角镜的有效孔径范围之内后，出射光的方向与入射光绝对的平行反向射出，因此仪器具有较强的抗震性。固定反射镜504包括两个平面反射镜，每个立体角反射镜与固定反射镜表面均镀金，并且分别上下相对，即一个立体角反射镜与一个平面反射镜相对应。分束镜503位于双角镜扭摆动镜502与固定反射镜504之间的中心对称位置，材料为KBr，分束镜503表面镀半透半反膜，即具有50％透射与50％反射作用。音圈电机505属于摆动型音圈电机，与双角镜扭摆动镜502相连接，当电流驱动音圈电机505带动双角镜扭摆动镜502一起发生小角度转动时，双角镜扭摆动镜502与固定反射镜504之间形成光程差，两束红外光经过双角镜扭摆动镜502与固定反射镜504反射在分束镜503再次相遇，形成红外干涉光。干涉仪5的光程差是传统干涉仪光程差的2倍，因此在相同的转动角度下，该仪器具有更高的分辨率。
长光程吸收池6固定在底座1，采用怀特池结构，内部镜片均采用镀金反射镜，长光程吸收池6总光程长为4.8m，并且长光程吸收池6下有加热装置，具有保持50摄氏度恒温功能。长光程吸收池6具有体积小、耐腐蚀强特点，并依据Lambert-beer定律，可实现探测0.1ppm级多组分气体浓度。
红外探测器7固定于底座1，位于长光程吸收池6左侧，用于探测经过长光程吸收池6后带有待测气体分子信息的红外干涉信号，并将红外干涉信号传输到光谱仪主控硬件电路，通过FFT与相关解析算法，反演识别多组分气体的组成成分及其浓度信息。红外探测器7采用热释电DTGS探测器，探测器窗口片为ZnSe，具有较强的抗湿热环境，使探测器具有较强的使用寿命。
气泵8固定于底座1，气泵8用于采集待测气体，待测气体通过气泵8进入长光程吸收池6，并由气泵8排出。气泵8采用AC隔膜气泵，流量小于1L/Min。
如图5所示，为多组分气体分析傅里叶红外光谱仪光路图，细线代表激光光束光路，粗线代表红外光束光路。激光器2出射的激光进入干涉仪5形成干涉光，以此来调整干涉仪5中双角镜扭摆动镜502的转动。
红外光源部件3出射的红外光经离轴抛物面准直反射镜401准直后，进入干涉仪5形成红外干涉光，红外干涉光经过平面反射镜反射给离轴抛物面耦合反射镜402，通过离轴抛物面耦合反射镜402耦合后进入长光程吸收池6，红外干涉光与长光程吸收池6中的待测气体反应后出射，形成带有待测气体分子信息的红外干涉信号，红外探测器7探测到红外干涉信号后传输给数据处理模块，经数据处理模块处理得到待测气体的组成成分及浓度。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种多组分气体分析傅里叶红外光谱仪，其特征在于，包括底座、激光器、红外光源部件、离轴抛物面反射镜、干涉仪、长光程吸收池、红外探测器和气泵；
所述激光器、红外光源部件、离轴抛物面反射镜、干涉仪、长光程吸收池、红外探测器和气泵均固定在所述底座上；所述激光器设置在干涉仪的出光口，用于提供控制干涉仪的参考光束；所述气泵用于将待测气体抽吸到长光程吸收池及排出；所述红外光源部件设置在干涉仪的入光口，红外光源部件出射的红外光经离轴抛物面反射镜准直后，进入干涉仪形成红外干涉光；所述红外干涉光经离轴抛物面反射镜耦合后进入长光程吸收池，所述红外干涉光与待测气体反应后出射，形成带有待测气体分子信息的红外干涉信号，红外探测器探测到所述红外干涉信号后传输给数据处理模块，经所述数据处理模块处理得到待测气体的组成成分及浓度。
2.如权利要求1所述的多组分气体分析傅里叶红外光谱仪，其特征在于，所述长光程吸收池出光口出设有离轴抛物面反射镜，所述离轴抛物面反射镜将反应后的红外干涉光聚焦整形到所述红外探测器。
3.如权利要求1或2所述的多组分气体分析傅里叶红外光谱仪，其特征在于，所述干涉仪包括基座、双角镜扭摆动镜、分束镜、固定反射镜和音圈电机；
所述双角镜扭摆动镜、分束镜、固定反射镜和音圈电机固定在所述基座上，所述音圈电机与所述双角镜扭摆动镜连接，当电流驱动音圈电机带动双角镜扭摆动镜发生转动时，双角镜扭摆动镜与固定反射镜之间形成光程差，红外光经过双角镜扭摆动镜与固定反射镜反射在分束镜再次相遇时，形成红外干涉光。
4.如权利要求3所述的多组分气体分析傅里叶红外光谱仪，其特征在于，所述双角镜扭摆动镜包括两个立体角反射镜，固定反射镜包括两个平面反射镜，一个立体角反射镜与一个平面反射镜相对应，从而使两束红外光在分束镜形成红外干涉光。
5.如权利要求1或2所述的多组分气体分析傅里叶红外光谱仪，其特征在于，所述红外光源部件包括宽光谱红外光源、凹面集光反射镜和光源散热底座；
所述宽光谱红外光源与凹面反射镜均固定在光源散热座上，宽光谱红外光源位于凹面反射镜光轴线上，凹面反射镜对红外光源发射的红外光聚焦整形。
6.如权利要求1所述的多组分气体分析傅里叶红外光谱仪，其特征在于，所述长光程吸收池下设有加热装置。
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