CN108896484B - 一种气体吸收池和气体浓度分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体吸收池及气体浓度分析仪。气体吸收池包括同焦距的主镜、端镜B、端镜C，主镜设在气体吸收池的一侧，端镜B、C设在另一侧，主镜上有入射口，以主镜面中心为对称中心取与入射口对称的位置为对称点，入射口和对称点之间的直线距离为H，H等分为2n份，端镜B和端镜C倾斜设置，使球心点B和球心点C与主镜面中心所在的水平线产生同向偏移，且与主镜面中心的水平距离分别为±1/4n×H；光束经入射口射入后，在主镜和端镜反射作用下形成2n个光斑，在第2n个光斑处或第2n‑2个光斑处设置折返镜，折返镜由两个平面反射镜构成。本发明的气体吸收池可检测浓度较低的气体浓度，准确度和灵敏度较高。

Description

一种气体吸收池和气体浓度分析仪

技术领域

本发明涉及光电检测领域，具体涉及一种气体吸收池，以及含有该气体吸收池的气体浓度分析仪。

背景技术

根据比尔-朗伯定律(Beer-Lambert law)，一束单色光照射于吸收介质表面，在通过一定厚度的介质后，由于介质吸收了一部分光能，透射光的强度就会减弱。吸收介质的浓度越大，介质的厚度越大，吸收光强度的减弱越显著，其变化关系符合公式：A＝K·c·L，其中，A为测量得到的光的吸光度；K为物质的吸收系数，为常数；c为待测物质的浓度；L为吸收介质的厚度，即为测量光程长度。

在测量工业污染源或是环境空气质量时，污染气体的浓度往往是ppm或ppb级别的，而气体的吸收系数又较低，所以要想测量这么低的浓度，需要通过增加测量光程的方法来提高测量的灵敏度。为了提升气体吸收池的光程长度，John U.White设计了一种多次反射的气体吸收池，具有孔径角大、光程长等优点，在现代的气体分析仪中有广泛的应用。

传统的White池由三面焦距相同的凹面镜构成，包括一个主镜和两个端镜，两个端镜的球心点对称的分布在主镜的镜面上，并且以主镜面中心为对称中心，通过调节焦点之间的距离就能够实现对气体吸收池光程长度的调节。

一般来说，气体分析仪射出的光束为准直的平行光，通过与气体吸收池的耦合光路配合，光束汇聚后通过气体吸收池的入射孔入射到气体吸收池中，且汇聚光束的汇聚点应当与气体吸收池主镜面重合，光束在通过此处后开始发散，发散的光束再照射到端镜上，端镜经过汇聚，使光束汇聚到主镜上；汇聚后的光束再经过主镜的反射而发散，照射到另外一面端镜上，再经过汇聚后返回主镜。如此反复，实现光束在气体吸收池中的多次反射。这基于了光学的基本原理，近轴光束从两倍焦距出射后经过透镜或球面镜的汇聚，汇聚点为两倍焦距点。

对于传统的White池而言，将入射口和出射口之间的距离等分为2n份，两个端镜的焦点分别位于距离主镜面中心为(±1/4n)处，入射光束经过两个端镜的反射后在主镜上的成像斑点位置以端镜球心点为对称点，分布在主镜上，且一共会有2n+1个成像斑点。

通过不断的缩小端镜球心点与主镜面中心的距离，能够不断的增加光程长度。但是，由于成像光斑具有一定的大小，成像光斑的半径为r，当r＞1/4n时，成像光斑会出现重叠，第2n-1个成像光斑会与入射点的光斑重合，导致发生重叠的光束一部分通过入射口而发生损失。因此，气体吸收池的长度其实是有限的。

为了突破成像光斑的r≥1/4n的限制，研究者发现，可以将端镜进行一定角度的倾斜，使端镜在主镜上的球心点的位置相对于传统的White池而言发生一定位置的偏移，同时，其它的位置关系保持不变。通过这样设置，可以使成像光斑的奇数排和偶数排分离形成双排光斑，从而将气体吸收池的光程长度提高一倍，在满足r≥1/8n的条件下，气体吸收池就可以有效工作。进而，可以实现在相同反射镜的条件下，使发射点数增加一倍，气体吸收池的光程长度增加一倍。

一种显而易见的提升光程长度的方法为增加反射镜的焦距，使气体吸收池长度增加，从而在同样的反射次数下提升光程长度，但是，气体吸收池长度过大的话，会增大气体吸收池的体积，妨碍其应用范围。

现有技术中还涉及一种技术方案，将气体吸收池的腔体设置为圆柱形，使得气体吸收池中气体的置换速度更快，从而提升速度和测量的准确性，但是主镜上光斑的分布只占据了整个圆形主镜面的一部分，并没有充分利用主镜的反射面。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种新型的气体吸收池，以及含有该气体吸收池的气体浓度分析仪，在不提升气体吸收池中反射镜焦距的条件下，充分利用了主镜的反射面，增加光程长度，使得该气体吸收池在用于检测更低浓度的气体时，具有更高的灵敏度。

本发明提供了一种气体吸收池，包括具有相同焦距的主镜、端镜B和端镜C，所述主镜设置在所述气体吸收池的一侧，所述端镜B和所述端镜C设置在与所述主镜所在侧相对的一侧，所述主镜上设置有入射口和出射口，以所述主镜的主镜面中心为对称中心取与所述入射口对称的位置为对称点，所述入射口和所述对称点之间的直线距离为H，将H等分为2n份，所述端镜B和所述端镜C倾斜设置，使得所述端镜B的球心点B和所述端镜C的球心点C与所述主镜面中心所在的水平线产生同向偏移，所述球心点B和所述球心点C与所述主镜面中心的水平距离分别为±1/4n×H；光束经由所述入射口进入所述气体吸收池后，在所述主镜和所述端镜B、端镜C的反射作用下形成2n个光斑，该所述2n个光斑在主镜面上形成分离的双排光斑，在第2n个光斑处或第2n-2个光斑处设置有折返镜，所述折返镜由两个平面反射镜构成。

作为本发明优选的实施方式，所述端镜B和所述端镜C之间的夹角θ＝H/(2n·R)，其中，所述R为所述主镜、端镜B、端镜C的球面半径。

作为本发明优选的实施方式，构成所述折返镜的两个所述平面反射镜之间的夹角为(90°-0.5θ)。

作为本发明优选的实施方式，在第4n、6n、8n……个光斑处还分别设置有第二折返镜、第三折返镜、第四折返镜...，并且，所述折返镜、第二折返镜、第三折返镜、第四折返镜的夹角依次减小。

作为本发明优选的实施方式，在第4n个光斑处还设置有第二折返镜，所述第二折返镜由两个夹角为(90°-θ)的所述平面反射镜构成。

作为本发明优选的实施方式，在第6n个光斑处还设置有第三折返镜，所述第三折返镜由两个夹角为(90°-1.5θ)的所述平面反射镜构成。

作为本发明优选的实施方式，所述折返镜设置在所述第2n个光斑处时，所述出射口位于第4n+1个光斑处。

作为本发明优选的实施方式，所述折返镜设置在所述第2n-2个光斑处时，所述出射口位于第4n-3个光斑处。

本发明还提供了一种气体浓度分析仪，包括光源、气体吸收池、探测器，所述光源设置在所述气体吸收池的入射口处，所述气体吸收池中为待测气体，所述探测器设置在所述气体吸收池的出射口处，所述气体吸收池为上述的气体吸收池。

本发明提供的气体吸收池，通过在主镜的合适位置上增设折返镜，能够实现在不改变主镜和端镜的焦距的条件下，充分利用主镜的反射面，在气体吸收池的尺寸和体积相同的情况下，获得更长的光程长度，使得本发明的气体吸收池能够用于更低浓度气体的检测和分析，极大的提高了测量结果的准确度和灵敏度。并且，本发明中还可通过设置多面折返镜的方式，不断提升气体吸收池的光程长度，进一步提高测量结果的灵敏度。

附图说明

图1为本发明提供的气体吸收池的构造示意图。

图2为本发明的气体吸收池中折返镜的构造示意图。

图3为本发明的气体吸收池中主镜上的光斑分布示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

本发明的发明人在传统White的基础上，通过增设折返镜的方式，能够使得所制备的气体吸收池在其中凹面镜的焦距和距离不变的情况下，得到光程长度提升一倍甚至N倍的气体吸收池，如图1所示，为本发明提供的气体吸收池的基本构造示意图。

由图1所示，本发明的气体吸收池由主镜A、端镜B、端镜C构成。其中，主镜A、端镜B、端镜C三个凹面反射镜具有相同的焦距f。其中，根据球面镜的基本原理：球面镜的半径R为焦距f的两倍，即R＝2f。

本发明中，主镜A设置在气体吸收池的一侧，端镜B和端镜C设置在与主镜A所在侧相对的一侧。其中，端镜B和端镜C设置为具有一定角度的倾斜，使得端镜B的球心点B和端镜C的球心点C相对于主镜A的主镜面中心所在的水平线产生偏移。

作为本发明优选的实施方式，端镜B和端镜C的倾斜角度一致，使得球心点B和球心点C相对于主镜面中心所在的水平线产生同向的偏移，即，球心点B和球心点C均位于主镜面中心所在直水平的上方，或球心点B和球心点C均位于主镜面中心所在水平线的下方。

其中，端镜B和端镜C的倾斜角度要适宜，端镜B和端镜C的倾斜角度过大的话，会导致一部分光束不能反射到主镜面上，造成光能的损失；端镜B和端镜C的倾斜角度过小的话，会导致奇数排和偶数排的光斑距离太近发生重叠，也会造成光能的损失。

本发明中，端镜B和端镜C的倾斜角度满足，使得端镜B和端镜C之间的夹角θ＝H/(2n·R)，其中，R为主镜、端镜B、端镜C的球面半径。并且，作为本领域的公知常识，由该公式：θ＝H/(2n·R)计算得到的端镜B和端镜C的夹角为弧度，根据弧度与角度之间的换算公式：1弧度＝180°/π≈57.3°，从而可由该公式计算得到端镜B和端镜C之间的夹角的角度值。同时，为了方便表示和理解，以下所涉及的θ均指的是角度值。

通过将端镜B和端镜C倾斜设置的方式，可以实现在主镜A的主镜面上形成奇数排和偶数排分离的双排光斑，相比于传统的White池而言，光程长度提升了一倍。

在此基础上，发明人创造性的发现，通过在主镜A的合适位置上设置折返镜a，能够进一步提升气体吸收池的光程长度。

由图2所示，本发明中的折返镜a由平面反射镜a1和平面反射镜a2构成。平面反射镜a1和平面反射镜a2之间的角度θ＇为90度左右均可，一般情况下，θ＇应小于90度。因为，当θ＇为90度时，经折返镜反射后的回射光束的角度与入射光束的角度相同，但是由于折返镜造成光束的横移，有可能会导致回射光束在端镜上形成的光斑超出端镜的镜面，从而造成光能的损失。因此，平面反射镜a1和平面反射镜a2之间的角度θ＇应保证光斑能完全入射到端镜的镜面上。

作为本发明优选的实施方式，构成折返镜a的平面反射镜a1和平面反射镜a2之间的夹角θ＇为(90°-0.5θ)。发明人发现，当折返镜的夹角如本发明所述的设置方式设置时，能够避免光束的横移现象，从而确保光斑能够完全入射到端镜的镜面上而不会发生损失。

图3为主镜A的正视图，也即主镜上的光斑分布示意图。由图3所示，主镜A上设置有入射口A1。A0为主镜A的主镜面中心。在主镜A上，以主镜面中心A0为对称中心，取与入射口A1对称的位置为对称点，在图3中即为光斑6所在的位置。设定入射口A1和光斑6之间的直线距离为H，将H等分为2n份。

图3中，端镜B的球心点为B，端镜C的球心点为C。本发明中，设置球心点B和球心点C的过程为：首先，令球心点B和球心点C与主镜面中心A0的平行距离均为1/4n×H，并且，球心点B和球心点C以主镜面中心A0为对称中心对称分布；然后，将端镜B和端镜C倾斜，倾斜的角度为使得端镜B和端镜C之间的夹角θ＝H/(2n·R)，使得球心点B和球心点C在原来位置的基础上向正上方或正下方偏移。即，端镜B和端镜C倾斜后，球心点B和球心点C与主镜面中心的水平距离分别为±1/4n×H。

作为本发明优选的实施方式，控制端镜B和端镜C的倾斜角度一致，从而使得球心点B和球心点C产生同向、同距离的偏移，即使端镜B和端镜C呈对称的光学设置，从而使得光斑能够完全入射到两个端镜上。

光束从入射口A1(也即图3中的光斑0所在的位置)射入气体吸收池中，入射到端镜B上，经端镜B反射后在主镜A上形成光斑1，光斑1与光斑0以球心点B为对称中心；光束在光斑1处被主镜A反射到端镜C上，经端镜C反射后在主镜A上形成光斑2，光斑2与光斑1以球心点C为对称中心。以此类推，直至光束汇聚到主镜A上的第2n个光斑处。发明人在第2n个光斑处设置了一个折返镜a。折返镜a能够将第2n个光斑反射到其正上方2n＇的位置，再经过端镜C的反射后在主镜A上形成光斑2n+1，光斑2n＇与光斑2n+1以球心点C为对称中心。经过不断的反射后，光束在出射口A2处射出。本发明中，当折返镜a设置在第2n个光斑处时，出射口A2位于光斑4n+1处。

在本发明的一些实施例中，当n取3时，即在第6个光斑处设置折返镜，将光斑6反射到其正上方6′的位置，再经过端镜C的反射后在主镜A上形成光斑7，光斑6′和光斑7以球心点C为对称中心。

因此，本发明的气体吸收池中，通过设置折返镜，可以在相同的球面半径，即相同的焦距的条件下，使得气体吸收池具有更长的光程长度。

本发明中，通过增设一个折返镜，就能够使气体吸收池的光程增加一倍。进一步地，若在主镜上的第4n个光斑处再设置一个折返镜，即第二折返镜，就能够使得光程再增加一倍。需要注意的是，第二折返镜的夹角应小于光斑2n处设置的折返镜的夹角，才能保证光束完全照射到端镜的镜面上。更进一步地，还可以在光斑6n处再设置第三折返镜，使得光程进一步提高一倍。此时，第三折返镜的夹角应小于第二折返镜的夹角。即，本发明中，可以在4n、6n、8n……个光斑处再分别设置第二折返镜、第三折返镜、第四折返镜...，并且，折返镜、第二折返镜、第三折返镜、第四折返镜……的夹角依次减小，从而保证光束能够不断的完全照射到端镜的镜面上。

以此类推，本发明中，可以通过在主镜上设置多面折返镜的方式，使得气体吸收池的光程长度得到不断的提升。相应的，当设置有多个折返镜时，出射口的位置会相应的发生改变，且遵循基本的光学反射、折射的原理，此处不再赘述。

其中，作为本发明优选的实施方式，在第4n个光斑处设置的第二折返镜，由两个夹角为(90°-θ)的平面反射镜构成。更优选的，在第6n个光斑处设置的第三折返镜，由两个夹角为(90°-1.5θ)的平面反射镜构成。

但是，由于光束在镜面上发生反射和折射时，会产生一定程度的光能的损耗，当设置的折返镜个数过多时，由于光能的损耗过大，导致气体对光能的吸收量过小，而影响气体浓度测试的准确性和灵敏性。作为本发明优选的实施方式，折返镜的优选设置个数是有限制的。

根据吸光度的定义：A＝ln(I₀/I)≈(I₀-I)/I，当I₀≈I时，也就是在监测浓度很低的物质时，初始的光强度与被物质吸收后的光强度的大小非常接近。其中，I₀为光谱的背景能量值，I为被物质吸收后的能量值。对于分析仪器而言，具有一定的信噪比SNR＝A/δA。对前面的公式：

A≈(I₀-I)/I求导数，得到δA≈δI₀/I+I₀×δI/I²。考虑到δI₀与δI是非常接近的，所以可以得到：δA≈2δI/I。考虑到入射到探测器上的光子服从泊松分布，则可以得到δI∝2/I^1/2。如果光束的总反射次数是m，根据朗伯-比尔定律，可以得到A∝(m+1)。如果反射镜的平均反射率是P，则可以得到I∝P^m，SNR∝1/2(m+1)P^m/2。要想得到最大的信噪比SNR，对其进行求导得到获得最大信噪比的条件为：0.5m·ln(R)+0.5·ln(R)+1＝0，从而得到获得最大信噪比时的m_opt＝-1-2/ln(R)。因此，可以得到，本发明中最优选的折返镜数量为(m_opt/4n)-1的整数部分。

在本发明的不同实施例中，当主镜A的反射面为圆形时，具体的，当气体吸收池所在的腔体选择圆柱形时，所形成的光斑的位置可能无法全部照射到光斑2n或4n的位置。此时，可根据圆形反射面的直径来调节折返镜的位置。这种情况下，折返镜设置在第2n-2个光斑处。相应的，出射口的位置在第4n-3个光斑处。

在本发明的不同实施方式中，出射口的位置可根据实际需求灵活设置，出射口可位于入射口的同侧或异侧，甚至可以设置在主镜面中心的位置。

本发明同时提供了一种包含有上述气体吸收池的气体浓度分析仪，包括光源、气体吸收池、探测器。

其中，光源设置在气体吸收池的入射口A1处。气体吸收池中储存有待测气体。探测器设置在气体吸收池的出射口A2处。当探测器选用热释电检测器时，本发明的气体浓度分析仪中还设置有斩波器，斩波器设置在光源与气体吸收池的入射口A1之间。

由光源发出的光经由入射口A1射入气体吸收池中，其中的气体吸收一部分光源，根据吸收的强弱，由比尔-朗伯定律就能够分析计算出气体的浓度。

由于本发明提供的气体吸收池具有更长的光程长度，因此能够用于更低浓度气体的分析和检测，准确度和灵敏度明显提高。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种气体吸收池，包括具有相同焦距的主镜、端镜B和端镜C，所述主镜设置在所述气体吸收池的一侧，所述端镜B和所述端镜C设置在与所述主镜所在侧相对的一侧，其特征在于，所述主镜上设置有入射口和出射口，以所述主镜的主镜面中心为对称中心取与所述入射口对称的位置为对称点，所述入射口和所述对称点之间的直线距离为H，将H等分为2n份，所述端镜B和所述端镜C倾斜设置，使得所述端镜B的球心点B和所述端镜C的球心点C与所述主镜面中心所在的水平线产生同向偏移，所述球心点B和所述球心点C与所述主镜面中心的水平距离分别为(±1/4n)×H；光束经由所述入射口进入所述气体吸收池后，在所述主镜和所述端镜B、端镜C的反射作用下形成2n个光斑，该所述2n个光斑在主镜面上形成分离的双排光斑，在第2n个光斑处或第2n-2个光斑处设置有折返镜，所述折返镜由两个平面反射镜构成；

所述折返镜设置在所述第2n个光斑处时，所述出射口位于第4n+1个光斑处，所述折返镜设置在所述第2n-2个光斑处时，所述出射口位于第4n-3个光斑处；

所述端镜B和所述端镜C之间的夹角θ＝H/(2n·R)，其中，所述R为所述主镜、端镜B、端镜C的球面半径，构成所述折返镜的两个所述平面反射镜之间的夹角为(90°-0.5θ)。

2.根据权利要求1所述的气体吸收池，其特征在于，在第4n、6n、8n……个光斑处还分别设置有第二折返镜、第三折返镜、第四折返镜……，并且，所述折返镜、第二折返镜、第三折返镜、第四折返镜的夹角依次减小。

3.根据权利要求1所述的气体吸收池，其特征在于，在第4n个光斑处还设置有第二折返镜，所述第二折返镜由两个夹角为(90°-θ)的所述平面反射镜构成。

4.根据权利要求3所述的气体吸收池，其特征在于，在第6n个光斑处还设置有第三折返镜，所述第三折返镜由两个夹角为(90°-1.5θ)的所述平面反射镜构成。

5.一种气体浓度分析仪，包括光源、气体吸收池、探测器，所述光源设置在所述气体吸收池的入射口处，所述气体吸收池中为待测气体，所述探测器设置在所述气体吸收池的出射口处，其特征在于，所述气体吸收池为权利要求1-4任一所述的气体吸收池。

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