本發(fā)明屬于光譜測量領域，尤其涉及一種能夠?qū)Χ喾N氣體進行測量的紅外光譜分析儀。

背景技術：

因為成本低，可靠性好，使用紅外熱輻射光源和熱電探測器是一種氣體分析普遍采用的技術。工作的基本原理是通過紅外光源的驅(qū)動電壓、驅(qū)動電流，改變光源的輻射功率和溫度，根據(jù)普朗克黑體輻射定律，光源的輻射光譜的峰值會移動，線型會變化。在探測器的窗口加窄帶濾波片，濾波片選擇某種氣體的吸收峰，測量透射光強。再輔之以參考通道進行功率的歸一化，得到透射率，進而反演光程中的待測氣體濃度。

雖然結構簡單，但是存在三個缺陷：1、無法解決光源本身的光譜漂移，由于外界溫度變化、器件老化、驅(qū)動電流漂移等原因；2、存在干擾的問題，由于各種烷烴氣體的吸收帶很近，但是濾波片的帶寬比譜線的帶寬又寬很多，比如待測氣體的背景中含有乙烷，則甲烷的吸收峰也會造成吸收增強；3、一個探測器配一個濾波片，要想多種氣體分析，系統(tǒng)會非常龐大。

當然，采用色散分光和列陣探測器進行多組分分析原理上也是可行的，但是在中紅外的列陣探測器技術先進，該項技術和產(chǎn)品在中國還沒有。國際上dexterresearch公司的sla64線陣探測器，使用64個獨立的熱電偶探測單元。由于該產(chǎn)品因為技術的敏感性，在出口控制的名單上。

基于全譜采集原理的多組分紅外氣體分析儀也是有的，比如美國的mks公司的tfs^tmtunablefilterspectroscopy可以測量從c1-nc6的多種組份，利用了可變?yōu)V波專利技術(公開號：us8896839、us20150103354)。采用了旋轉(zhuǎn)濾波片，光線的入射角從0-90度變化，使其在光傳播方向的等效距離變化，根據(jù)光學干涉的原理，其共振透射波長也會變化，從而完成對全波長的掃描?；谌V，采用通用的多變量分析算法可以分析多種組份，有效解決組分間的光譜干擾問題。當然，這樣使用濾波片也存在一些問題，因為光線的透射率會因為入射角度的變化而變化，影響光譜透射率的計算，光譜掃描非線性，限制了其性能的進一步發(fā)揮。

在紅外光譜分析儀上使用帶通的線性可變?yōu)V波片(lvf)技術(公開號：cn103217730a)，其透射波長或者反射波長隨著位置變化而變化，也可以實現(xiàn)全譜掃描。但是目前的濾波片是一種精確鍍膜的濾光片，制作步驟復雜，控制精度要求高，因而它的成本也很高。比如edmund公司的linearvariablenirbandpassfilter，單只售價高達人民幣14962.5元。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述目前進行多組分分析的光譜儀器存在光譜漂移、相互干擾、系統(tǒng)龐大、性能不穩(wěn)定、成本高等技術問題，提出一種光譜掃描線性度高、系統(tǒng)簡單、成本低的多組分分析紅外光譜分析儀。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種紅外光譜分析儀，用于檢測待測氣體的濃度，包括：

發(fā)光器，用于發(fā)射穿過待測氣體的光線；

探測器，用于接收發(fā)光器發(fā)出且穿過待測氣體的光線；

濾光片，用于對發(fā)光器發(fā)出且穿過待測氣體的光線進行濾光；

所述濾光片設置有使穿過待測氣體的光線通過的透光通道。

作為優(yōu)選，所述探測器包括用于接收通過濾光片的光線的氣體檢測單元以及用于接收通過透光通道的光線的參比檢測單元。

作為優(yōu)選，所述濾光片為環(huán)形，透光通道位于濾光片的中心，所述濾光片的厚度沿周向逐漸增大。

作為優(yōu)選，所述濾光片周向分為多個扇形的濾光區(qū)，所述濾光區(qū)位于一側(cè)用于使光線入射的入射面與位于另一側(cè)用于使光線出射的出射面相互平行。

作為優(yōu)選，相鄰濾光區(qū)的厚度差相同。

作為優(yōu)選，所述濾光區(qū)的透射頻率和波長分比為υ和λ，

其中，c為真空中的光速，n為濾光片的折射率，k為干涉級次，θ為光線的入射角，d為對應濾光區(qū)的厚度。

作為優(yōu)選，所述濾光片連接有驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動馬達。

作為優(yōu)選，所述發(fā)光器包括用于容納待測氣體的檢測通道，檢測通道一端安裝有光源以及對光源進行準直的拋物面鏡，另一端安裝有將光線匯聚的聚光透鏡。

作為優(yōu)選，所述發(fā)光器進一步包括控制光源的控制器以及與控制器相連并能夠測量檢測通道溫度的測溫元件。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果在于：

1、紅外光譜分析儀結構簡單，成本低，濾光片設置透光通道，將未穿過濾光片的光作為參考，通過歸一化，能夠補償功率波動和非吸收性損失。

2、濾波片為圓環(huán)狀階梯線性分布的帶通濾波片，波長的掃描是線性的，利用多變量分析算法進行多組份分析，能夠分析出待測氣體中多種成分各自的濃度，制造流程簡單，成本低。

3、發(fā)光器設置聚光透鏡，對光強信號能夠有2個數(shù)量級的增強效果。

附圖說明

圖1為紅外光譜分析儀的結構示意圖；

圖2為濾光片的結構示意圖；

以上各圖中：1、發(fā)光器；1.1、檢測通道；1.2、光源；1.3、拋物面鏡；1.4、聚光透鏡；2、探測器；2.1、氣體檢測單元；2.2、參比檢測單元；3、濾光片；3.1、透光通道；3.2、濾光區(qū)；3.3、入射面；3.4、出射面；4、驅(qū)動馬達。

具體實施方式

下面，通過示例性的實施方式對本發(fā)明進行具體描述。然而應當理解，在沒有進一步敘述的情況下，一個實施方式中的元件、結構和特征也可以有益地結合到其他實施方式中。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術語“內(nèi)”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

如圖1至2所示，紅外光譜分析儀，用于檢測待測氣體的濃度，包括：發(fā)光器1，用于發(fā)射穿過待測氣體的光線；探測器2，用于接收發(fā)光器1發(fā)出且穿過待測氣體的光線；濾光片3，用于對發(fā)光器1發(fā)出且穿過待測氣體的光線進行濾光。

其中濾光片3設置有使穿過待測氣體的光線通過的透光通道3.1，透光通道3.1作為參考通道，讓光線無損通過。

發(fā)光器發(fā)出的光線，穿過待測氣體后，一部分穿透濾光片3，然后被探測器2接收，光線射入到濾光片3的本體內(nèi)，濾光片3的本體對光線進行濾光；另一部分通過透光通道3.1，然后被探測器2接收，光線未進入到濾光片3本體內(nèi)部，未被濾光片3的本體進行濾光。

發(fā)光器1包括用于容納待測氣體的檢測通道1.1，檢測通道1.1一端安裝有光源1.2以及對光源1.2進行準直的拋物面鏡1.3，另一端安裝有將光線匯聚的聚光透鏡1.4。

待測氣體充入到檢測通道1.1內(nèi)，在檢測通道1.1內(nèi)均勻分布，保證檢測準確性。光源1.2發(fā)出的光線通過拋物面鏡1.3準直，光線均平行通過檢測通道1.1，使各個光線通過待測氣體的光程相同，以便能夠進行多變量分析。聚光透鏡1.4最后將平行通過檢測通道1.1的光線匯聚，射向濾光片3或透光通道3.1，聚光透鏡1.4也到了對光強信號兩個數(shù)量級的增強效果。

探測器2包括用于接收通過濾光片3的光線的氣體檢測單元2.1以及用于接收通過透光通道3.1的光線的參比檢測單元2.2。

氣體檢測單元2.1檢測被濾光片3濾光后光線的透射光強ii，參比檢測單元2.2檢測為通過透光通道3.1而未被濾光片3濾光的光線的透射光強ir。

濾光片3為環(huán)形，透光通道3.1位于濾光片3的中心，濾光片3的厚度沿周向逐漸增大。

濾光片3連接有驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動馬達4。

濾光片3周向分為多個扇形的濾光區(qū)3.2，濾光區(qū)3.2中位于一側(cè)用于使光線入射的入射面3.3與位于另一側(cè)用于使光線出射的出射面3.4相互平行。

濾光區(qū)3.2的數(shù)量為n個，周向順時針或逆時針依次按照序列號1至n進行編號。濾光區(qū)3.2的厚度按照序列號從第1個至第n個，厚度依次遞增。

相鄰濾光區(qū)3.2的厚度差相同，使濾光區(qū)3.2的遞增呈線性變化。序列號為i的濾光區(qū)厚度di＝d1+a×(i-1)，其中a是相鄰濾光區(qū)3.2的厚度差，d1為序列號為1的濾光區(qū)厚度(即第一個濾光區(qū)的厚度)。

每個濾光區(qū)3.2的厚度是均勻的，濾光區(qū)3.2的入射面3.3和出射面3.4平行，構成一個標準具etalon，形成fabry–pérot干涉。其中濾光區(qū)厚度差a、濾光區(qū)數(shù)量n和第一個濾光區(qū)3.2的厚度d1決定了掃描范圍。

濾光區(qū)3.2透射頻率和波長分比為υ和λ，因此序列號為i的濾光區(qū)透射頻率和波長分比為υi和λi，

其中，c為真空中的光速，n為濾光片3的折射率，k為干涉級次，θ為光線的入射角，di為序列號為i的濾光區(qū)的厚度。

濾光片3的折射率n，由濾光片3本身的材料決定。

濾光區(qū)3.2序列號i對應共振透射波長與基頻波長的倍數(shù)。光線的入射角θ近似為0度。

干涉級次k為整數(shù)，根據(jù)光源、鍍膜、濾波片厚度等因素設定，濾光區(qū)厚度較大時，干涉級次k取值也較大，濾光區(qū)厚度較小時，干涉級次k取值也較小。由于n、θ、k均為固定值，di在濾光片周向上呈線性變化，因此波長λi也呈線性變化，以便后續(xù)進行多變量分析。k的取值大小，僅影響濾光片中濾光區(qū)波長數(shù)據(jù)的分布的疏密度，即濾光片的光譜分布程度，不影響通過多變量分析進行多組分氣體濃度的計算。

濾光片3中濾光區(qū)3.2的厚度分布、透射頻率和波長，使其形成呈圓環(huán)狀階梯線性分布的帶通濾波片，濾波特性主要有等效距離決定，從而不要高精度的鍍膜工藝流程，制造流程簡單，成本低。

根據(jù)待測氣體吸收光譜的波長范圍，在濾光區(qū)表面鍍膜，增加光的透射率。由于濾光區(qū)上鍍膜的波長范圍和反射率，影響每個濾光區(qū)的透射波長λi和帶寬，所以濾光片3的透射譜是鍍膜透射函數(shù)和離散波長的乘積。

加工濾波片3時，先對基片進行機械加工，加工成為圓環(huán)狀，徑向厚度均勻，周向呈現(xiàn)多重階梯分布，在根據(jù)測量需要進行鍍膜。機械加工精度高，簡單易控制，成本極大降低。

驅(qū)動馬達4驅(qū)動濾光片3勻速旋轉(zhuǎn)一周，為一個掃描周期，探測器2完成對濾光片3的透射波長λ1到λi的一次掃描。由于一個掃描周期中濾光區(qū)3.2的遞增呈線性變化，使濾光片3勻速旋轉(zhuǎn)完成的波長掃描也為線性。

在一個掃描周期中，濾光區(qū)按照序列號依次與探測器2對齊，探測器2依次測得每個濾光區(qū)對應的透射光強ii和ir。一個掃描周期中，光線在濾光片3表面的入射角θ不變，鍍膜的反射率是個常量。

將一個掃描周期中透射率ti＝ii/ir作為歸一化的透射光譜。通過歸一化，補償了功率波動和非吸收性損失。

由于已知檢測通道1.1的光程長，歸一化的透射光譜根據(jù)多變量分析算法的校準模型，推算出待測氣體中多個目標氣體各自的濃度，實現(xiàn)多組分的測量。

為了保證測量結果的穩(wěn)定性和吸收信號的強度，紅外光譜分析儀還包括控制光源1.2的控制器以及與控制器相連并能夠測量檢測通道1.1溫度的測溫元件。

光源1.2為工作在高溫的黑體輻射光源，黑體輻射光源采用mems傳感器，使用一層薄膜電阻片，內(nèi)部是納米結構的鉆石形狀的非晶碳原子，是純阻性器件。

光源1.2使用脈沖調(diào)制，與探測器2結合使用，利用調(diào)制解調(diào)的微弱信號處理技術，使在該調(diào)制頻率上降低閃爍噪聲(1/f噪聲)。

以烴類氣體、碳氧化合物等測量目標為例，需要將作為輻射源的光源1.2溫度穩(wěn)定在溫度t，溫度t為500～600℃。由于烴類氣體、碳氧化合物等測量目標在3到5微米區(qū)域存在很強的基頻吸收輻射峰值，所以在溫度t下光源1.2的輻射峰值位于待測氣體的吸收峰處，從而保證測量結果的穩(wěn)定性和吸收信號的強度。

通過實驗法，將輻射源溫度始終控制在t，記錄相對應的環(huán)境溫度tr與驅(qū)動電流i，得出實驗表格，并進行函數(shù)擬合即i＝f(tr)。

測溫元件測量檢測通道1.1的環(huán)境溫度，控制器根據(jù)測得的環(huán)境溫度以及函數(shù)擬合得出的公式，控制光源1.2的驅(qū)動電流相應變化，從而使光源1.2的溫度穩(wěn)定在t上，進而將光源1.2的能譜分布聚集在3到4微米的烴類氣體、碳氧化合物等有機氣體的強吸收區(qū)，同時維持它們足夠的發(fā)射強度，使光源1.2始終按照設定的譜型輻射，保證測量結果的穩(wěn)定性。