專利名稱：適用于光電檢測的差分測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種差分測量方法及裝置，特別是一種適用于光電檢測的差分測量方法及裝置。
背景技術(shù)：
光與化學(xué)物質(zhì)之間能夠發(fā)生相互作用。以紅外光為例，當(dāng)一束紅外光透過某種化學(xué)物質(zhì)蒸汽后，某些特定波長的紅外光將會被該化學(xué)物質(zhì)的分子所吸收而轉(zhuǎn)化為這些分子的轉(zhuǎn)動能和/或振動能。反之，當(dāng)該化學(xué)物質(zhì)的溫度超過其周圍的環(huán)境溫度時(shí)，該化學(xué)物質(zhì)將會向外輻射出相同特定波長的紅外光。這些特定的波長稱為該化學(xué)物質(zhì)的特征波長。特定的化學(xué)物質(zhì)所對應(yīng)的特征波長是一定的。利用這個(gè)原理，可以通過測定一個(gè)紅外輻射信號在某種化學(xué)物質(zhì)的一個(gè)特征波長上的相對強(qiáng)度(即相對于在一個(gè)非特征波長上的強(qiáng)度) 而檢測出在該紅外輻射信號所經(jīng)過的路徑上是否存在該種化學(xué)物質(zhì)；進(jìn)而，如果存在該種化學(xué)物質(zhì)的話，可以測定其劑量的大小，或者測定其與周圍環(huán)境的溫度差等。為了實(shí)現(xiàn)上述光電檢測，必須采取下列步驟首先，測量光信號在待測化學(xué)物質(zhì)的某一個(gè)特征波長上的強(qiáng)度，其次，測量光信號在待測化學(xué)物質(zhì)的某一個(gè)非特征波長上的強(qiáng)度，最后，比較兩者的差別，得到相對強(qiáng)度值。這種測定方法稱為差分測量方法或比色測量方法，其中所選定的非特征波長稱為參考波長，所選定的特征波長也稱為共振波長。目前，針對特定化學(xué)物質(zhì)的紅外檢測儀和紅外測溫儀都有成熟的產(chǎn)品，其中有些型號就是采用差分法或比色法。而事實(shí)上除了紅外光之外，也有利用其它波長的電磁波進(jìn)行差分測量或比色測量的例子。在化學(xué)物質(zhì)的紅外光譜上，其特征波長通常表現(xiàn)為具有一定寬度的波譜峰或波譜帶。所以在具體實(shí)施差分檢測時(shí)，首先要做的是確定共振波長和參考波長的位置和寬度。這里，我們分別把它們稱之為共振波帶和參考波帶。確定的原則是共振波帶應(yīng)該與待測化學(xué)物質(zhì)的某一個(gè)特征峰相重疊，而參考波帶則不應(yīng)該與待測化學(xué)物質(zhì)的任何特征峰相重疊。 這里，參考波帶的選擇是一個(gè)容易被忽視的問題。事實(shí)上，在進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對于參考波帶的選擇有著近乎矛盾的要求。一方面，參考波帶應(yīng)該盡可能地靠近共振波帶，以便最大限度地減小光學(xué)系統(tǒng)誤差，另一方面，參考波帶應(yīng)該與共振波帶保持一定的距離，以免參考波帶與特征光譜峰的根部發(fā)生重疊而降低差分信號的強(qiáng)度。這樣的要求使得參考波帶的選擇有時(shí)候非常困難。而現(xiàn)有的技術(shù)在這方面考慮較少，在進(jìn)行參考波帶的選擇時(shí)常常帶有一定的隨意性。例如，美國專利N2 6853452(發(fā)明人Gabriel Laufer)提出了一種運(yùn)用差分檢測方法進(jìn)行可揮發(fā)性有機(jī)化合物遙測的裝置，但是該專利在參考波帶的選擇上并沒有給出有說服力的理由。無疑，隨意選擇的參考波帶對于減小光學(xué)系統(tǒng)誤差和提高差分信號的信噪比是不利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種適用于光電檢測的差分測量方法及裝置，該方法在采用現(xiàn)有技術(shù)選擇參考波帶有困難時(shí)可以有效地解決參考波帶的選擇問題。為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種適用于光電檢測的差分測量方法，其包括如下步驟1. 1)選擇與待測化學(xué)物質(zhì)在光譜上的某一個(gè)特征波譜峰相重疊的范圍作為共振 波??；1. 2)將包含共振波帶但比共振波帶更寬的范圍作為參考波帯，且這個(gè)范圍不與待 測化學(xué)物質(zhì)在光譜上的其它波譜峰相重疊；1.3)分別測定待測電磁波信號在共振波帶上的強(qiáng)度I1和在參考波帶上的強(qiáng)度 12；1.4)比較I1和I2-I1，確定檢測結(jié)果。進(jìn)ー步地在1. 3)中，如果因共振波帶選得太寬而導(dǎo)致檢測結(jié)果達(dá)不到預(yù)期的要求，則停止 步驟1.4)并轉(zhuǎn)以下步驟1. 5)選定ー個(gè)比上述共振波帶窄的范圍作為第二共振波帶，該第二共振波帶只涵 蓋特征波譜峰的峰頂部分；1. 6)測定待測電磁波信號在第二共振波帶內(nèi)的強(qiáng)度I1'；1. 7)比較I1'和I2-I1，確定檢測結(jié)果。在步驟1. 1)中，為了避免共振波帶所對應(yīng)的特征波譜峰的根部與參考波帶發(fā)生 重疊，可以將共振波帶選得比選定的待測化學(xué)物質(zhì)的特征波譜峰略寬。在步驟1. 4)中，可采用以下兩個(gè)公式之ー比較I1和I2-I1 Diff OC 1 ,或 Diff oc Ir-k (I2-I1)式中Diff表示差分信號值，常數(shù)項(xiàng)a和b是為了消除基線噪聲而引入的參量，常 數(shù)項(xiàng)k是比例因子。在步驟1. 7)中，可采用以下兩個(gè)公式之ー比較I1'和I2-I1 Diff cc .oc I/ -Ic(I2-I1)式中Diff表示差分信號值，常數(shù)項(xiàng)a和b是為了消除基線噪聲而引入的參量，常 數(shù)項(xiàng)k是比例因子。本發(fā)明還根據(jù)上述方法設(shè)計(jì)了相應(yīng)的差分測量裝置，包括單光路測量裝置和多光 路測量裝置。該單光路測量裝置包括接收光學(xué)系統(tǒng)、濾光片切換裝置、濾光片組、光電探測器組 件和信號處理單元，其中所述濾光片組包含若干個(gè)濾光片，各個(gè)濾光片固定在濾光片切換 裝置上；所述接收光學(xué)系統(tǒng)將待測光信號調(diào)節(jié)成一個(gè)合乎要求的光束；所述濾光片切換裝 置置于接收光學(xué)系統(tǒng)之后，通過該濾光片切換裝置的動作，各個(gè)濾光片可以交替切入所述 光束對其進(jìn)行濾光；所述光電探測器組件置于濾光片切換裝置之后，檢測經(jīng)過濾光后的光 束的強(qiáng)度；所述光電探測器組件的輸出與信號處理單元相連接；所述信號處理單元對來自 光電探測器組件的信號進(jìn)行必要的預(yù)處理(放大、降噪等)，然后進(jìn)行對比運(yùn)算，并顯示運(yùn)算結(jié)果 。
進(jìn)一步地所述濾光片切換裝置是可以轉(zhuǎn)動的圓盤或是可以作往復(fù)運(yùn)動的條形板。所述濾光片組包括一個(gè)特征濾光片和一個(gè)參考濾光片，其中所述特征濾光片的帶通與待測化學(xué)物質(zhì)在光譜上的某個(gè)特征波譜峰相重疊；所述參考濾光片的帶通包含特征濾光片的帶通但比后者更寬，且不與待測化學(xué)物質(zhì)在光譜上的其它波譜峰相重疊。所述特征濾光片的帶通與待測化學(xué)物質(zhì)在光譜上的某個(gè)特征波譜峰相重疊且比后者寬。所述濾光片組還包括一個(gè)第二特征濾光片，該第二特征濾光片的帶通只包含特征濾光片所對應(yīng)的待測化學(xué)物質(zhì)的特征波譜峰的峰頂部分，因而比特征濾光片的帶通更窄、 更具有代表性。該多光路差分測量裝置包括接收光學(xué)系統(tǒng)、濾光片組、光電探測器組件和信號處理單元，其中所述濾光片組包括一個(gè)特征濾光片和一個(gè)參考濾光片；所述接收光學(xué)系統(tǒng)將待測光信號調(diào)節(jié)成多個(gè)合乎要求的光束，其輸出的光束的個(gè)數(shù)與所述濾光片組中所包含的濾光片的個(gè)數(shù)相同；所述濾光片組中的各個(gè)濾光片分別切入接收光學(xué)系統(tǒng)輸出的光束對其進(jìn)行濾光；所述光電探測器組件置于濾光片組之后，測定經(jīng)過濾光后的各光束的強(qiáng)度； 所述信號處理單元連接光電探測器組件的輸出，對來自光電探測器組件的信號進(jìn)行必要的預(yù)處理(放大、降噪等)，然后進(jìn)行對比運(yùn)算，并顯示運(yùn)算結(jié)果。進(jìn)一步地所述濾光片組中的特征濾光片的帶通與待測化學(xué)物質(zhì)在光譜上的某一個(gè)特征波
譜峰相重疊；所述濾光片組中的參考濾光片的帶通包含特征濾光片的帶通但比后者更寬，且不與待測化學(xué)物質(zhì)在光譜上的其它波譜峰相重疊。所述濾光片組還包括第二特征濾光片，該第二特征濾光片的帶通只包含特征濾光片所對應(yīng)的待測化學(xué)物質(zhì)的特征波譜峰的峰頂部分，因而比特征濾光片的帶通更窄、更具有代表性。所述濾光片組中的特征濾光片的帶通與待測化學(xué)物質(zhì)在光譜上的某一個(gè)特征波譜峰相重疊且比后者寬。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可以有效提高檢測靈敏度和精度，并降低相關(guān)光學(xué)器件的制作難度。


圖1為本發(fā)明差分檢測方法示意圖；圖2為DMMP紅外光譜圖；圖3為單光路檢測裝置結(jié)構(gòu)圖；圖4為濾光片切換用調(diào)制盤示意圖；圖5為雙光路檢測裝置結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出了一種獨(dú)特的參考波帶選擇方法，從而形成了一種新的差分測量方法。在某些情況下，該方法可以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，有效提高檢測靈敏度和精度，并降低相關(guān)光學(xué)器件的制作難度。本發(fā)明還根據(jù)上述方法設(shè)計(jì)了相應(yīng)的差分測量裝置。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。本發(fā)明提出的差分測量方法由如下步驟構(gòu)成第一步，按如下原則確定共振波帶(1)共振波帶與待測化學(xué)物質(zhì)在光譜上的某一個(gè)特征波譜峰相重疊，( 在某些情況下，為了保證檢測靈敏度和精度，可以將共振波帶選得比波譜峰略寬。此處設(shè)該范圍為從入工到λ2(λ2> A1) J1和λ2分別是所選定的待測化學(xué)物質(zhì)特征波譜峰的起始波長和終止波長，或者，在某些情況下，為了保證檢測靈敏度和精度，λ工表示比所選定的待測化學(xué)物質(zhì)特征波譜峰的起始波長略小的一個(gè)波長；λ 2表示比所選定的待測化學(xué)物質(zhì)特征波譜峰的終止波長略大的一個(gè)波長。此處所說的光譜上的波譜峰是指電磁波的一個(gè)波長或波長范圍，在該波長或波長范圍內(nèi)的電磁波與不在波譜峰范圍內(nèi)的電磁波相比，前者能夠和待測化學(xué)物質(zhì)發(fā)生更強(qiáng)烈的相互作用，并且由于相互作用程度存在顯著差異，所以在光譜圖上形成了波峰。所謂特征波譜峰是指待測化學(xué)物質(zhì)所特有的或者是能夠代表待測化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的波譜峰。第二步，按如下原則確定參考波帶(1)參考波帶包含共振波帶但比它更寬，即將參考波帶選定為從UfA1)到(λ2+Δ2)，此處A1彡0，Δ2彡0且二者不同時(shí)為零，A1是指參考波帶的起始波長與共振波帶的起始波長的差值，Δ2是指參考波帶的終止波長與共振波帶的終止波長的差值，⑵從(X1-A1)到(λ2+Δ2)這個(gè)范圍不與待測化學(xué)物質(zhì)在光譜上的其它波譜峰相重疊。第三步，分別測定待測電磁波信號在上述共振波帶的強(qiáng)度(即特征信號強(qiáng)度)Ii 和上述參考波帶的強(qiáng)度(即參比信號強(qiáng)度)12。此處所說的待測電磁波信號是指已經(jīng)與待測化學(xué)物質(zhì)發(fā)生了相互作用或者有可能與待測化學(xué)物質(zhì)發(fā)生相互作用的電磁波信號，因此通過檢測它可以實(shí)現(xiàn)對待測化學(xué)物質(zhì)的檢測。第四步，比較1工和(I2-I1，確定檢測結(jié)果。此處是指將比較運(yùn)算結(jié)果作為一個(gè)重要依據(jù)與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值相比，或者在連續(xù)測量中與前面的測量結(jié)果相比，來確定出當(dāng)前的檢測結(jié)果。比較運(yùn)算可以采用下列公式
權(quán)利要求
1. 一種適用于光電檢測的差分測量方法，其特征在于包括如下步驟1.1)選擇與待測化學(xué)物質(zhì)在光譜上的某一個(gè)特征波譜峰相重疊的范圍作為共振波帶；1. 2)將包含共振波帶但比共振波帶更寬的范圍作為參考波帶，且這個(gè)范圍不與待測化學(xué)物質(zhì)在光譜上的其它波譜峰相重疊；1. 3)分別測定待測電磁波信號在共振波帶上的強(qiáng)度I1和在參考波帶上的強(qiáng)度I2 ；1.4)比較I1和I2-I1，確定檢測結(jié)果。
2.如權(quán)利要求1所述的適用于光電檢測的差分測量方法，其特征在于在1. 3)中，如果因共振波帶太寬而導(dǎo)致檢測結(jié)果達(dá)不到預(yù)期的要求，則停止步驟1. 4) 并轉(zhuǎn)以下步驟1. 5)選定一個(gè)比上述共振波帶窄的范圍作為第二共振波帶，該第二共振波帶只涵蓋特征波譜峰的峰頂部分；1.6)測定待測電磁波信號在第二共振波帶內(nèi)的強(qiáng)度I/；1.7)比較I/和I2-I1，確定檢測結(jié)果。
3.如權(quán)利要求1或2所述的適用于光電檢測的差分測量方法，其特征在于 在步驟1. 1)中，為了避免共振波帶所對應(yīng)的特征波譜峰的根部與參考波帶發(fā)生重疊，可以將共振波帶選得比所選定的待測化學(xué)物質(zhì)的特征波譜峰略寬。
4.如權(quán)利要求1所述的差分測量方法，其特征在于在步驟1.4)中，采用公式A//" ^ ,. 7lT^ α或Diff α !3(^比較“和I2-I1,式中Diff表示差分信號值，常數(shù)項(xiàng)a和b是為了消除基線噪聲而引入的參量，k是比例因子。
5.如權(quán)利要求2所述的適用于光電檢測的差分測量方法，其特征在于在步驟1.7)中，采用公式7ι L或Diff oc V G2H1)比較V和I2-I1,式中Diff表示差分信號值，常數(shù)項(xiàng)a和b是為了消除基線噪聲而引入的參量，k是比例因子。
6.一種適用于光電檢測的單光路差分測量裝置，其特征在于其包括接收光學(xué)系統(tǒng)、濾光片切換裝置、濾光片組、光電探測器組件和信號處理單元， 其中所述濾光片組包含若干個(gè)濾光片，各個(gè)濾光片固定在濾光片切換裝置上； 所述接收光學(xué)系統(tǒng)將待測光信號調(diào)節(jié)成一個(gè)合乎要求的光束； 所述濾光片切換裝置置于接收光學(xué)系統(tǒng)之后，通過該濾光片切換裝置的動作，各個(gè)濾光片可以交替切入所述光束對其進(jìn)行濾光；所述光電探測器組件置于濾光片切換裝置之后，檢測經(jīng)過濾光后的光束的強(qiáng)度； 所述信號處理單元連接光電探測器組件的輸出，對來自光電探測器組件的信號首先進(jìn)行包括放大、降噪在內(nèi)的必要的預(yù)處理，然后進(jìn)行比較運(yùn)算，并顯示運(yùn)算結(jié)果。
7.如權(quán)利要求6所述的適用于光電檢測的單光路差分測量裝置，其特征在于所述濾光片切換裝置是可以轉(zhuǎn)動的圓盤。
8.如權(quán)利要求6所述的適用于光電檢測的單光路差分測量裝置，其特征在于所述濾光片切換裝置是可以作往復(fù)運(yùn)動的條形板。
9.如權(quán)利要求6至8之一所述的適用于光電檢測的單光路差分測量裝置，其特征在于所述濾光片組包括一個(gè)特征濾光片和一個(gè)參考濾光片，其中 所述特征濾光片的帶通與待測化學(xué)物質(zhì)在光譜上的某個(gè)特征波譜峰相重疊； 所述參考濾光片的帶通包含特征濾光片的帶通但比后者更寬，且不與待測化學(xué)物質(zhì)在光譜上的其它波譜峰相重疊。
10.如權(quán)利要求9所述的適用于光電檢測的單光路差分測量裝置，其特征在于 所述特征濾光片的帶通與待測化學(xué)物質(zhì)在光譜上的某個(gè)特征波譜峰相重疊且比后者覓。
11.如權(quán)利要求9所述的適用于光電檢測的單光路差分測量裝置，其特征在于所述濾光片組還包括一個(gè)第二特征濾光片，該第二特征濾光片的帶通只包含特征濾光片所對應(yīng)的待測化學(xué)物質(zhì)的特征波譜峰的峰頂部分，因而比特征濾光片的帶通更窄、更具有代表性。
12.如權(quán)利要求10所述的適用于光電檢測的單光路差分測量裝置，其特征在于所述濾光片組還包括一個(gè)第二特征濾光片，該第二特征濾光片的帶通只包含特征濾光片所對應(yīng)的待測化學(xué)物質(zhì)的特征波譜峰的峰頂部分，因而比特征濾光片的帶通更窄、更具有代表性。
13.一種適用于光電檢測的多光路差分測量裝置，其特征在于 其包括接收光學(xué)系統(tǒng)、濾光片組、光電探測器組件和信號處理單元，其中 所述濾光片組包括一個(gè)特征濾光片和一個(gè)參考濾光片；所述接收光學(xué)系統(tǒng)將待測光信號調(diào)節(jié)成多個(gè)合乎要求的光束，其輸出的光束的個(gè)數(shù)與所述濾光片組中所包含的濾光片的個(gè)數(shù)相同；所述濾光片組中的各個(gè)濾光片分別切入接收光學(xué)系統(tǒng)輸出的光束對其進(jìn)行濾光； 所述光電探測器組件置于濾光片組之后，測定經(jīng)過濾光后的各光束的強(qiáng)度； 所述信號處理單元連接光電探測器組件的輸出，對來自光電探測器組件的信號首先進(jìn)行包括放大、降噪在內(nèi)的必要的預(yù)處理，然后進(jìn)行比較運(yùn)算，并顯示運(yùn)算結(jié)果。
14.如權(quán)利要求13所述的適用于光電檢測的多光路差分測量裝置，其特征在于 所述濾光片組中的特征濾光片的帶通與待測化學(xué)物質(zhì)在光譜上的某一個(gè)特征波譜峰相重疊；所述濾光片組中的參考濾光片的帶通包含特征濾光片的帶通但比后者更寬，且不與待測化學(xué)物質(zhì)在光譜上的其它波譜峰相重疊。
15.如權(quán)利要求14所述的適用于光電檢測的多光路差分測量裝置，其特征在于所述濾光片組還包括第二特征濾光片，該第二特征濾光片的帶通只包含特征濾光片所對應(yīng)的待測化學(xué)物質(zhì)的特征波譜峰的峰頂部分，因而比特征濾光片的帶通更窄、更具有代表性。
16.如權(quán)利要求14或15所述的差分測量裝置，其特征在于所述濾光片組中的特征濾光片的帶通與待測化學(xué)物質(zhì)在光譜上的某一個(gè)特征波譜峰相重疊且比后者寬。
全文摘要
一種適用于光電檢測的差分測量方法及裝置。其方法包括步驟1)選擇與待測化學(xué)物質(zhì)在光譜上的某個(gè)特征波譜峰相重疊的范圍作為共振波帶；2)將包含共振波帶但比共振波帶更寬的范圍作為參考波帶，且這個(gè)范圍不與待測化學(xué)物質(zhì)在光譜上的其它波譜峰相重疊；3)測定待測電磁波信號在共振波帶的強(qiáng)度I1和參考波帶的強(qiáng)度I2；4)比較I1和(I2-I1)，確定檢測結(jié)果。如因共振波帶太寬而影響檢測效果，則不執(zhí)行步驟4)而執(zhí)行下列步驟5)設(shè)定比上述共振波帶窄、更具有代表性的波長范圍作為第二共振波帶，6)測定待測電磁波信號在第二共振波帶內(nèi)的強(qiáng)度I1′，7)比較I1′和(I2-I1)。所述裝置包括單光路系統(tǒng)和多光路系統(tǒng)。本發(fā)明可有效提高檢測靈敏度和精度，降低相關(guān)光學(xué)器件的制作難度。
文檔編號G01N21/25GK102288550SQ201010296529
公開日2011年12月21日 申請日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月21日
發(fā)明者張國勝, 張知?jiǎng)?申請人:張國勝