CN113945528A - 一种基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量装置，包括紫外光学导入系统、法布里珀罗干涉仪、聚光透镜、探测器和数据处理系统；紫外光学导入系统沿光路依次设有紫外光源、准直光路组件、带通滤光片、气体吸收池、分光棱镜、反射镜；分光棱镜将光束分为两条，并通过反射镜将分别射入法布里珀罗干涉仪；法布里珀罗干涉仪用于接收两路光并分别向外输出信号；法布里珀罗干涉仪处理后的光信号分别沿各自光路射出，并经聚光透镜投至探测器；数据处理系统用于数据处理。本发明还提供了一种基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量方法。本发明极大的提高了测量信噪比，同时达到传统光谱测量的测量精度，实现了氨气的高精度快速测量。

Description

一种基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量装置及方法
技术领域
本发明涉及环境监测领域，尤其涉及一种基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量装置及方法。
背景技术
氨气是一种无色而具有强烈刺激性臭味的气体，其易溶于水，却对人体有极大危害。当氨气接触到人体皮肤组织，会产生腐蚀和刺激作用，氨气吸收皮肤组织中的水分，使组织蛋白变性，并使组织脂肪皂化，破坏细胞膜结构。同时，氨气对动物或人体的上呼吸道也具有刺激和腐蚀作用，其吸附在皮肤黏膜和眼结膜上，从而产生刺激和炎症。氨气主要来自建筑施工中使用的混凝土外加剂，特别是在冬季施工过程中，在混凝土墙体中加入尿素和氨水为主要原料的混凝土防冻剂，这些含有大量氨类物质的外加剂在墙体中随着温湿度等环境因素的变化而还原成氨气从墙体中缓慢释放出来，造成室内空气中氨的浓度大量增加。此外，室内装饰材料所用的添加剂和增白剂也大部分使用氨。
目前，对空气中氨气的监测主要有傅里叶变换红外光谱、光声光谱、可调谐吸收光谱技术和差分吸收光谱技术。其中，差分吸收光谱法使用光谱仪测量氨气在紫外波段吸收光谱，利用分子差分吸收截面与差分光学厚度拟合反演出气体浓度。差分吸收光谱法的优点在于仪器结构简单，可同时测量多种气体，其缺点在于仪器经过色散分光，光强较弱，时间分辨率与信噪比较低。而其他氨气测量方法则主要依靠氨气在红外波段的光谱吸收，大多存在着依赖红外光源和探测器的问题，往往价格昂贵。
因此，目前需研究一种测量精度高、时间分辨率高，且成本相对较低的氨气测量方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量装置及方法；该装置结合法布里珀罗干涉仪，利用法布里珀罗干涉仪的周期性光谱透过率与分子周期性吸收截面的相关性，实现对分子的特异性测量，由此形成一种针对氨气的高精度测量方法，该方法有效解决了现有氨气测量仪器时间分辨率低及成本高的问题。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量装置，包括紫外光学导入系统、法布里珀罗干涉仪、聚光透镜、探测器和数据处理系统；
所述紫外光学导入系统沿光路方向依次设置有紫外光源、准直光路组件、带通滤光片、气体吸收池、分光棱镜、反射镜；其中，所述紫外光源发出的光束依次通过准直光路组件、带通滤光片、气体吸收池投射到所述分光棱镜；所述分光棱镜将光束分为两条光路，并通过每条光路上分别设置的反射镜将光束分别射入所述法布里珀罗干涉仪；
所述法布里珀罗干涉仪位于两个反射镜反射光的光路相交点上，用于接收两路光并分别向外输出法布里珀罗干涉仪处理后的光信号；所述法布里珀罗干涉仪处理后的两路光信号分别沿各自光路射出，并经过聚光透镜后分别投射至所述探测器；
所述数据处理系统与所述探测器相连，用于数据处理，以实现对氨气的高精度快速测量。
作为本发明的优选方式之一，所述紫外光源提供至少190-220nm的宽带连续光源。
作为本发明的优选方式之一，所述准直光路组件包括两个准直透镜与两个光阑，所述两个准直透镜为第一准直透镜、第二准直透镜，两个光阑为第一光阑、第二光阑；其中，所述第一准直透镜位于紫外光源后方，用于对紫外光源发出光束进行一次聚焦准直；所述第一光阑位于第一准直透镜后方，用于对一次聚焦准直后的光束去除杂散光；所述第二准直透镜位于第一光阑后方，用于对光束进行二次聚焦准直；所述第二光阑位于第二准直透镜后方，用于对二次聚焦准直后的光束去除杂散光。
作为本发明的优选方式之一，所述带通滤光片位于准直光路组件后方，用于实现190-220nm波段范围的紫外光通过，并将其余波段光过滤。
作为本发明的优选方式之一，所述气体吸收池位于所述带通滤光片后方，包含进气口和出气口，且吸收池两端面所使用材料允许190-220nm的紫外光线通过；
同时，所述气体吸收池采用由两个平面高反镜组成的反射结构；经过所述准直光路组件的平行光以一定角度入射在气体吸收池后，所述平行光在两个所述平面高反镜之间发生多次反射，并最终以同样的角度输出平行光。其中，采用多次反射设计，经过准直后的光在气体吸收池中多次反射增加光程，从而对提高目标气体探测的灵敏度。
作为本发明的优选方式之一，所述分光棱镜和反射镜构成光路调节组件；所述分光棱镜45度倾斜放置，将经过气体吸收池的光束按光强平均分为两束，一束透过，一束反射；分光后的两路光束再分别由对应光路上的反射镜全部反射；其中，两个所述反射镜分别将光束调整到两个特定角度射出。
作为本发明的优选方式之一，所述法布里珀罗干涉仪使两束由所述分光棱镜和所述反射镜调节到特定角度的光束同时进入到法布里珀罗干涉仪的腔内，并根据法布里珀罗干涉仪的干涉原理，分别产生特定周期光谱结构的光信号输出(两束光进入法布里珀罗干涉仪的角度及法布里珀罗干涉仪参数由理论计算得到)。
作为本发明的优选方式之一，所述法布里珀罗干涉仪由紫外波段空气间隙法布里珀罗标准具构成。法布里珀罗干涉仪，满足以下参数：中心波长205nm，工作波段190-220nm，镜面反射率65％-70％，空气间隙0.0055mm，精细度大于6.5。
作为本发明的优选方式之一，所述探测器包括两个相同的探测器，且分别布置在法布里珀罗干涉仪处理后的两路光信号光路上；所述探测器用于接收190-220nm波段的紫外光信号。
作为本发明的优选方式之一，所述数据处理系统通过测量经过法布里珀罗干涉仪对光谱周期性采样后信号，根据琅勃比尔定律计算得到光学厚度，进一步进行差分运算处理实现对于氨气测量。
一种基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量方法，采用上述基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量装置进行，包括如下步骤：
(1)使用所述紫外光源发出至少190-220nm的连续紫外光，经由所述准直光路组件准直后成为平行光，再通过所述带通滤光片后滤去除190-220nm外的多余波段；
(2)使用所述气体吸收池通入待测气体，待测气体由进气口通入，出气口通出；由所述紫外光源发出的光在经过准直光路组件和带通滤光片后从所述气体吸收池通光端面进入，经过气体吸收池中待测气体吸收后由另一端面输出；
(3)使用所述分光棱镜将由所述气体吸收池输出的光分为光强相同的两束，一束透过，一束反射；
(4)使用所述反射镜将进过所述分光棱镜得到的两束光调整到两个特定的角度αon和αoff；
(5)使用所述法布里珀罗干涉仪同时接收被调整至特定角度的两路光，并根据以下公式使用所述法布里珀罗干涉仪筛选出相关波长：
Figure BDA0003293381480000051
Figure BDA0003293381480000052
式中，αon和αoff为通过反射镜调节后光束进入法布里珀罗干涉仪的角度，R为法布里珀罗干涉仪镜面反射率，d为法布里珀罗干涉仪镜面间距，T为光谱透过率；
(6)使用所述探测器接收由所述聚光透镜汇聚的两路光信号，并根据琅勃比尔定律计算两路的光学厚度，根据以下公式计算差分光学厚度：
Figure BDA0003293381480000053
式中，DOD为差分光学厚度，τon和τoff分别是两路信号的光学厚度，Ion，Ioff为所述探测器接收到的经过待测气体吸收后的光强信号，I0,on，I0,off为所述探测器接收到的未经过待测气体吸收的光强信号；
(7)经过上述步骤所得的差分光学厚度DOD与待测气体中氨气浓度对应成正比，比例系数由正演模型得出，由此根据上述步骤来得出待测气体中氨气浓度。
本发明相比现有技术的优点在于：本发明采用法布里珀罗干涉仪作为波长选择器件，相比于传统光谱测量方法，本发明无狭缝限制光通量，信号强度更高，且法布里珀罗干涉仪具有更高的光谱分辨率，本发明在保证足够测量精度的条件下具有更高的信噪比。同时，本发明所提供的测量光路装置及方法同样适用于其他具有周期性光谱吸收结构如SO2、BrO、CO2等其他气体分子测量，只需更相适应地换光源、滤光片并相应调整法布里珀罗干涉仪参数及光束入射角度即可。
附图说明
图1是实施例1中基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量装置的光路图；
图2是实施例1中气体吸收池的反射结构示意图；
图3是实施例2中氨气测量方法中浓度计算原理图。
图中：1为紫外光学导入系统，11为紫外光源，12为准直光路组件，121为第一准直透镜，122为第一光阑，123为第二准直透镜，124为第二光阑，13为带通滤光片，14为气体吸收池，141为进气口，142为出气口，143为反射结构，15为分光棱镜，16为反射镜，161为第一反射镜，162为第二反射镜，2为法布里珀罗干涉仪，3为聚光透镜，4为探测器，41为第一探测器，42为第二探测器，5为光束。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1-2所示，本实施例的一种基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量装置，包括紫外光学导入系统1、法布里珀罗干涉仪2、聚光透镜3、探测器4和数据处理系统。
紫外光学导入系统1沿光路方向依次设置有紫外光源11、准直光路组件12、带通滤光片13、气体吸收池14、分光棱镜15、反射镜16。其中，紫外光源11发出的光束5依次通过准直光路组件12、带通滤光片13、气体吸收池14投射到分光棱镜15；分光棱镜15将15分为两条光路，并通过每条光路上分别设置的反射镜16将光束5调节到特定角度分别射入法布里珀罗干涉仪2。
法布里珀罗干涉仪2位于两个反射镜16反射光的光路相交点上，使两束由分光棱镜45和反射镜16调节到特定角度的光束5同时进入到法布里珀罗干涉仪2的腔内，并根据法布里珀罗干涉仪2的干涉原理，分别产生特定周期光谱结构的光信号输出；法布里珀罗干涉仪2处理后的两路光信号分别沿各自光路射出，并分别经过一个聚光透镜3后分别投射至一个探测器4。
数据处理系统包括计算机以及与计算机相连的数据采集卡、存储器；其中，数据采集卡位于探测器4后方，用于采集探测器4中的光信号数据；计算机通过测量经过法布里珀罗干涉仪2对光谱周期性采样后信号，根据琅勃比尔定律计算得到光学厚度，进一步进行差分运算处理实现对氨气的高精度快速测量；存储器位于计算机后方，用于存储数据。
进一步地，在本实施例中，紫外光源11提供至少190-220nm的宽带连续光源。
准直光路组件12包括两个准直透镜与两个光阑，两个准直透镜为第一准直透镜121、第二准直透镜123，两个光阑为第一光阑122、第二光阑124。其中，第一准直透镜121位于紫外光源11后方，用于对紫外光源11发出的光束5进行一次聚焦准直；第一光阑122位于第一准直透镜121后方，用于对一次聚焦准直后的光束5去除杂散光；第二准直透镜123位于第一光阑122后方，用于对光束5进行二次聚焦准直；第二光阑124位于第二准直透镜123后方，用于对二次聚焦准直后的光束5去除杂散光。
带通滤光片13位于第二光阑124后方，用于实现190-220nm波段范围的紫外光通过，并将其余波段光过滤。
气体吸收池14位于带通滤光片13后方，包含进气口141和出气口142，且气体吸收池14两端面所使用材料允许190-220nm的紫外光线通过。
同时，气体吸收池14采用由两个平面高反镜组成的反射结构143；经过准直光路组件12的平行光以一定角度入射在气体吸收池14后，平行光在两个平面高反镜之间发生多次反射，并最终以同样的角度输出平行光。其中，采用多次反射设计，经过准直后的光在气体吸收池14中多次反射增加光程，从而对提高目标气体探测的灵敏度。
分光棱镜15和反射镜16构成光路调节组件。使用时，分光棱镜15将经过气体吸收池14的光束按光强平均分为两束，一束透过，一束反射；分光后的两路光束再分别由对应光路上的反射镜16全部反射。其中，两个反射镜16分别为第一反射镜161、第二反射镜162，二者分别将光束5调整到两个特定角度射出。
进一步地，在本实施例中，法布里珀罗干涉仪2购于SLS optics，由紫外波段空气间隙法布里珀罗标准具构成，仪器参数为：Air Spaced Etalon,65％R at205nm+/-5nm at0to 12degrees AOI,AirGap 0.0055mm+/-0.0002mm,All 7980 0A grade Fused Silica,25mm CA,50.8mm OD,F 6.5,T>85％,total thickness～30mm。
进一步地，在本实施例中，探测器4包括两个相同的探测器4，分别为第一探测器41、第二探测器42，二者分别布置在法布里珀罗干涉仪2处理后的两路光信号光路上；该探测器4用于接收190-220nm波段的紫外光信号。
实施例2
本实施例的一种基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量方法，采用实施例1中氨气测量装置进行，且参阅图1、图2，包括如下步骤：
(1)使用紫外光源11发出至少190-220nm的连续紫外光，经由准直光路组件12准直后成为平行光，再通过带通滤光片13后滤去除190-220nm外的多余波段；
(2)使用气体吸收池14通入待测气体，待测气体由进气口141通入，出气口142通出；由紫外光源11发出的光束5在经过准直光路组件12和带通滤光片13后从气体吸收池14通光端面进入，经过气体吸收池14中待测气体吸收后由另一端面输出；
(3)使用分光棱镜15将由气体吸收池14输出的光分为光强相同的两束，一束透过，一束反射；
(4)使用反射镜16将进过分光棱镜15得到的两束光调整到两个特定的角度αon和αoff；
(5)使用法布里珀罗干涉仪2同时接收被调整至特定角度的两路光，并根据以下公式使用所述法布里珀罗干涉仪筛选出相关波长：
Figure BDA0003293381480000091
Figure BDA0003293381480000092
式中，αon和αoff为通过反射镜16调节后光束进入法布里珀罗干涉仪2的角度，R为法布里珀罗干涉仪镜面反射率，d为法布里珀罗干涉仪镜面间距，T为光谱透过率；
(6)使用探测器4接收由聚光透镜3汇聚的两路光信号，并根据琅勃比尔定律计算两路的光学厚度，根据以下公式计算差分光学厚度：
Figure BDA0003293381480000101
式中，DOD为差分光学厚度，τon和τoff分别是两路信号的光学厚度，Ion，Ioff为探测器4接收到的经过待测气体吸收后的光强信号，I0,on，I0,off为探测器4接收到的未经过待测气体吸收的光强信号；计算原理见图3。
(7)经过上述步骤所得的差分光学厚度DOD与待测气体中氨气浓度对应成正比，比例系数由正演模型得出，由此根据上述步骤来得出待测气体中氨气浓度。
本发明未尽事宜为公知技术。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量装置，其特征在于，包括紫外光学导入系统、法布里珀罗干涉仪、聚光透镜、探测器和数据处理系统；
所述紫外光学导入系统沿光路方向依次设置有紫外光源、准直光路组件、带通滤光片、气体吸收池、分光棱镜、反射镜；其中，所述紫外光源发出的光束依次通过准直光路组件、带通滤光片、气体吸收池投射到所述分光棱镜；所述分光棱镜将光束分为两条光路，并通过每条光路上分别设置的反射镜将光束分别射入所述法布里珀罗干涉仪；
所述法布里珀罗干涉仪位于两个反射镜反射光的光路相交点上，用于接收两路光并分别向外输出法布里珀罗干涉仪处理后的光信号；所述法布里珀罗干涉仪处理后的两路光信号分别沿各自光路射出，并经过聚光透镜后分别投射至所述探测器；
所述数据处理系统与所述探测器相连，用于数据处理。
2.根据权利要求1所述的基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量装置，其特征在于，所述紫外光源提供至少190-220nm的宽带连续光源。
3.根据权利要求1所述的基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量装置，其特征在于，所述准直光路组件包括两个准直透镜与两个光阑，所述两个准直透镜为第一准直透镜、第二准直透镜，两个光阑为第一光阑、第二光阑；其中，所述第一准直透镜位于紫外光源后方，用于对紫外光源发出光束进行一次聚焦准直；所述第一光阑位于第一准直透镜后方，用于对一次聚焦准直后的光束去除杂散光；所述第二准直透镜位于第一光阑后方，用于对光束进行二次聚焦准直；所述第二光阑位于第二准直透镜后方，用于对二次聚焦准直后的光束去除杂散光。
4.根据权利要求1所述的基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量装置，其特征在于，所述带通滤光片位于准直光路组件后方，用于实现190-220nm波段范围的紫外光通过，并将其余波段光过滤。
5.根据权利要求1所述的基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量装置，其特征在于，所述气体吸收池位于所述带通滤光片后方，包含进气口和出气口，且吸收池两端面所使用材料允许190-220nm的紫外光线通过；
同时，所述气体吸收池采用由两个平面高反镜组成的反射结构；经过所述准直光路组件的平行光以一定角度入射在气体吸收池后，所述平行光在两个所述平面高反镜之间发生多次反射，并最终以同样的角度输出平行光。
6.根据权利要求1所述的基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量装置，其特征在于，所述分光棱镜和反射镜构成光路调节组件；所述分光棱镜45度倾斜放置，将经过气体吸收池的光束按光强平均分为两束，一束透过，一束反射；分光后的两路光束再分别由对应光路上的反射镜全部反射；其中，两个所述反射镜分别将光束调整到两个特定角度射出。
7.根据权利要求1所述的基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量装置，其特征在于，所述法布里珀罗干涉仪将两束由所述分光棱镜和所述反射镜调节到特定角度的光束同时进入到法布里珀罗干涉仪的腔内，并分别产生特定周期光谱结构的光信号输出。
8.根据权利要求1所述的基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量装置，其特征在于，所述探测器包括两个相同的探测器，且分别布置在法布里珀罗干涉仪处理后的两路光信号光路上；所述探测器用于接收190-220nm波段的紫外光信号。
9.根据权利要求1所述的基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量装置，其特征在于，所述数据处理系统通过测量经过法布里珀罗干涉仪对光谱周期性采样后信号，根据琅勃比尔定律计算得到光学厚度，进一步进行差分运算处理实现对于氨气测量。
10.一种基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一所述基于法布里珀罗干涉仪的氨气测量装置进行，包括如下步骤：
(1)使用所述紫外光源发出至少190-220nm的连续紫外光，经由所述准直光路组件准直后成为平行光，再通过所述带通滤光片后滤去除190-220nm外的多余波段；
(2)使用所述气体吸收池通入待测气体，待测气体由进气口通入，出气口通出；由所述紫外光源发出的光在经过准直光路组件和带通滤光片后从所述气体吸收池通光端面进入，经过气体吸收池中待测气体吸收后由另一端面输出；
(3)使用所述分光棱镜将由所述气体吸收池输出的光分为光强相同的两束，一束透过，一束反射；
(4)使用所述反射镜将进过所述分光棱镜得到的两束光调整到两个特定的角度αon和αoff；
(5)使用所述法布里珀罗干涉仪同时接收被调整至特定角度的两路光，并根据以下公式使用所述法布里珀罗干涉仪筛选出相关波长：
Figure FDA0003293381470000031
Figure FDA0003293381470000032
式中，αon和αoff为通过反射镜调节后光束进入法布里珀罗干涉仪的角度，R为法布里珀罗干涉仪镜面反射率，d为法布里珀罗干涉仪镜面间距，T为光谱透过率；
(6)使用所述探测器接收由所述聚光透镜汇聚的两路光信号，并根据琅勃比尔定律计算两路的光学厚度，根据以下公式计算差分光学厚度：
Figure FDA0003293381470000041
式中，DOD为差分光学厚度，τon和τoff分别是两路信号的光学厚度，Ion，Ioff为所述探测器接收到的经过待测气体吸收后的光强信号，I0,on，I0,off为所述探测器接收到的未经过待测气体吸收的光强信号；
(7)经过上述步骤所得的差分光学厚度DOD与待测气体中氨气浓度对应成正比，比例系数由正演模型得出，由此根据上述步骤来得出待测气体中氨气浓度。
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