專利名稱：Doas分析儀的高靈敏度光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用光學(xué)和光譜學(xué)技術(shù)對氣體濃度進(jìn)行在線測量的DOAS分析儀的高靈敏度光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)作為氣體濃度信息傳遞的物理通道，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件。
背景技術(shù)：
工業(yè)煙氣，特別是火力發(fā)電廠的鍋爐煙氣含有大量的S02、N0x、NH3等多種有害組分，必須進(jìn)行脫硫、脫硝等凈化處理后才能達(dá)標(biāo)排放。煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng) (CEMS, Continuous Emission Monitoring System)是指導(dǎo)電廠脫硫、脫硝系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行的重要監(jiān)控設(shè)備，同時(shí)又是煙氣排放的重要監(jiān)測設(shè)備。隨著我國節(jié)能減排工作的不斷推進(jìn)，氣態(tài)污染物中S02、N0X, NH3等的排放濃度越來越低，尤其在低濃度測量時(shí)，水汽的吸收會給紅外吸收光譜測量造成很大的測量誤差，且水汽吸收會造成系統(tǒng)腐蝕帶來備品備件的增加， 并且很難對上述多組分同時(shí)測量。因此傳統(tǒng)的基于紅外吸收光譜技術(shù)的適用于低濕、高硫的直接抽取冷干法已不再適合目前的高濕、低硫的工況。作為直接測量法中較有代表性的差分吸收光譜(Differential Optical Absorption Spectroscopy,下簡稱 D0AS)在大氣痕量氣體濃度監(jiān)測和污染源煙氣排放濃度的直接測量中獲得了成功而廣泛的應(yīng)用。
對于基于DOAS技術(shù)的煙氣濃度分析儀而言，光學(xué)系統(tǒng)是其中的核心模塊，光學(xué)系統(tǒng)的靈敏度、信噪比等性能是提高DOAS分析儀的靈敏度和測量精度的關(guān)鍵。目前，利用單一探測器分時(shí)獲取參考光強(qiáng)和透射光強(qiáng)的DOAS分析儀中，光學(xué)系統(tǒng)大多采用半透半反的設(shè)計(jì)方案，或在此基礎(chǔ)上在鏡片表面鍍紫外增透膜，無論是參考光還是透射光，均需兩次經(jīng)過同一半透半反鏡，光源發(fā)出的光在理論上最多只有四分之一的能量能進(jìn)入光電探測器， 導(dǎo)致能量利用率低下；另外，光學(xué)設(shè)計(jì)大多沒有考慮色差校正，對于能量型而非成像型系統(tǒng)而言，寬波段光束通過該光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，將再次損失相當(dāng)一部分能量，特別當(dāng)光源的輻射光強(qiáng)度較弱或被測組分濃度較高或極低的情況下，進(jìn)入光電探測器信號的信噪比明顯降低，致使DOAS分析儀的靈敏度和測量精度過低，必須重新更換光源，致使光源的使用壽命較短。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于檢測氣體組分含量的DOAS分析儀的高靈敏度光學(xué)系統(tǒng)，可大幅度提高光源的能量利用率，在同樣光源強(qiáng)度下，進(jìn)入光電探測器的光能量成倍增加，提高儀器的測量信噪比，延長光源的使用壽命。
本發(fā)明DOAS分析儀的高靈敏度光學(xué)系統(tǒng)，包含光源、準(zhǔn)直透鏡組、分光鏡、透射光反射鏡、聚焦透鏡組、參考光反射鏡、光纖、光纖光譜儀和活動擋板，所述準(zhǔn)直透鏡組和聚焦透鏡組均分別由間隔一定距離的大、小兩個(gè)透鏡組成；準(zhǔn)直透鏡組和聚焦透鏡組互為垂直設(shè)置，二者的光軸在大透鏡一側(cè)相交為光軸交點(diǎn)；所述光源和透射光反射鏡分別位于準(zhǔn)直透鏡組兩側(cè)的光軸上，其中透射光反射鏡位于所述光軸交點(diǎn)以外的位置；所述光纖一端位于聚焦透鏡組的小透鏡一側(cè)光軸上，另一端與光纖光譜儀相連；所述參考光反射鏡位于聚焦透鏡組光軸的大透鏡一側(cè)的所述光軸交點(diǎn)之外位置；所述分光鏡為鍍有反射膜的矩形石英玻璃，它斜置在準(zhǔn)直透鏡組與聚焦透鏡組相鄰側(cè)的二者光軸相交所成直角的角平分線上，即分光鏡同時(shí)以45 角斜置在準(zhǔn)直透鏡組的一半出射光束及聚焦透鏡組的一半入射光束的光路上；所述活動擋板可切換地?fù)踉跍?zhǔn)直透鏡組的另一半出射光束或聚焦透鏡組的另一半入射光束的光路上。
所述準(zhǔn)直透鏡組和聚焦透鏡組中的大、小各透鏡均由熔融石英透鏡與紫外級的氟化鈣透鏡復(fù)合并以隔圈固定而成。
所述分光鏡為單面鍍反射膜，且鍍有反射膜的一面向著準(zhǔn)直透鏡組，未鍍反射膜的一面向著聚焦透鏡組。
所述分光鏡處于準(zhǔn)直透鏡組光軸和聚焦透鏡組光軸相交處的邊緣加工成45 倒角，倒角面向著參考光反射鏡方向。
所述透射光反射鏡和參考光反射鏡均為三面直角棱鏡。
本發(fā)明的技術(shù)效果如下1、本光學(xué)系統(tǒng)中分光鏡的設(shè)置方式使光源發(fā)出的光束有一半進(jìn)入了參考光路，另一半進(jìn)入了測量光路，在光源光強(qiáng)相同的條件下，極大的提高了通過光學(xué)系統(tǒng)的光能量，使DOAS 分析儀的靈敏度提高。分光鏡單面鍍反射膜可避免傳統(tǒng)的雙面鍍膜因差異而引起的反射光光譜結(jié)構(gòu)差異。
2、根據(jù)系統(tǒng)信噪比是有用光強(qiáng)信號與噪聲的均方根之比值的原理，在積分時(shí)間及平均次數(shù)相同條件下，系統(tǒng)信噪比取決于光強(qiáng)度，而本光學(xué)系統(tǒng)的光能量得到提高，信噪比高，系統(tǒng)的測量精度也提高。
3、與普通的系統(tǒng)相比，采用本光學(xué)系統(tǒng)的DOAS分析儀具有較高的信噪比，在相同的光源輻射條件下，通過本光學(xué)系統(tǒng)的光能較強(qiáng)。在相同的測量精度要求下，本光學(xué)系統(tǒng)光源的使用壽命更長。
4、光路系統(tǒng)中無論是準(zhǔn)直透鏡組還是聚焦透鏡組都采用了石英透鏡和氟化鈣透鏡復(fù)合的結(jié)構(gòu)，從而很大程度上消除了寬波段光束通過同種材料時(shí)由于折射率不同造成的色差問題，能進(jìn)一步減少寬波段光束通過光學(xué)系統(tǒng)時(shí)因色差帶來的能量損失，提高系統(tǒng)的靈敏度。


圖1為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)示意圖。
圖2為三面直角棱鏡的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為基于本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的DOAS分析儀的光機(jī)模塊剖視圖。
圖中，1、光源發(fā)光點(diǎn)；2、燈泡玻璃壁面、3、準(zhǔn)直透鏡組；4、分光鏡；5、參考光反射鏡；6、透射光反射鏡；7、聚焦透鏡組；8、光纖；9、光纖光譜儀；10、擋板，11、準(zhǔn)直透鏡組光軸，12、聚焦透鏡組光軸，13、三面直角棱鏡，13-1、圓形底面，13-2、直角面；14、煙囪，15、探頭，15-1、氣體進(jìn)樣孔，A、擋板處于測量光路位置，B、擋板處于參考光路位置，0、光軸交點(diǎn)。
具體實(shí)施方式
圖1是本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)實(shí)施例的光路示意圖，光源1為氘燈。
如圖1，準(zhǔn)直透鏡組3的光軸11與聚焦透鏡組7的光軸12垂直相交成光軸交點(diǎn)0。準(zhǔn)直透鏡組3與聚焦透鏡組7均由以一定間距同軸組裝的大、小兩個(gè)透鏡組成，但兩透鏡組的大、小兩個(gè)透鏡距離不相同。上述兩透鏡組內(nèi)的每個(gè)透鏡均由相同直徑的JGSl熔融石英彎月透鏡和紫外級的氟化鈣雙凸透鏡曲面相吻復(fù)合并通過隔圈固定成一體；分光鏡4以一定厚度的石英玻璃為基底并單面鍍反射膜。如圖1所示，分光鏡4位于準(zhǔn)直透鏡組3與聚焦透鏡組7的相鄰側(cè)，并在準(zhǔn)直透鏡組光軸11和聚焦透鏡組光軸12垂直相交而成的直角平分線上；即分光鏡4同時(shí)以45 角斜置在透鏡組3的一半出射光束及與之相交并相鄰的聚焦透鏡組7的一半入射光束的光路上。分光鏡4單面鍍有反射膜，鍍反射膜的一面向著準(zhǔn)直透鏡組3，未鍍反射膜的一面向著聚焦透鏡組7。分光鏡4處于準(zhǔn)直透鏡組光軸11 和聚焦透鏡組光軸12相交處的邊緣成45 倒角，倒角面向著參考光反射鏡5的方向?；顒訐醢?0由旋轉(zhuǎn)電磁鐵帶動，可繞光軸交點(diǎn)0按45 角來回轉(zhuǎn)動，交替地作為準(zhǔn)直透鏡組另一半光束及聚焦透鏡組的另一半光束的擋光板，在二者之間切換位置。
圖3是DOAS分析儀中的光機(jī)模塊實(shí)施例的剖視結(jié)構(gòu)圖。
本實(shí)施例中，系統(tǒng)采用的最佳參數(shù)如下氘燈光源1發(fā)光點(diǎn)的大小為0. 5mm，燈泡壁2厚度為1mm，光源輻射波段范圍為185 400nm。光源1發(fā)光點(diǎn)距準(zhǔn)直透鏡組3的第一片透鏡的中心距離為53mm。準(zhǔn)直透鏡組3的兩個(gè)透鏡通過間距為23. 4mm的光學(xué)隔圈將二者裝配在一個(gè)經(jīng)過發(fā)黑的鋁材鏡筒內(nèi)。準(zhǔn)直透鏡組3中，靠近光源1 一側(cè)的透鏡由球面半徑分別為55. 78mm和33. 70mm、外圓直徑為沈讓、中心厚度為3. 5mm的彎月石英透鏡和球面半徑均為33. 70mm且具有相同外圓直徑的紫外級氟化鈣雙凸透鏡利用曲面形狀復(fù)合在一起。準(zhǔn)直透鏡組3中靠近分光鏡4 一側(cè)的透鏡由球面半徑分別為29. 31mm和77. 09mm、中心厚度8mm、外圓直徑為32mm的紫外級氟化鈣雙凸透鏡和球面半徑分別為29. 31和144. ^mm、中心厚度為4mm且具有相同直徑的彎月石英透鏡利用曲面的現(xiàn)狀復(fù)合在一起。聚焦透鏡組7與準(zhǔn)直透鏡組3具有相同的結(jié)構(gòu)，且兩者光學(xué)鏡片的參數(shù)相同，唯一的不同點(diǎn)在于前者光學(xué)隔圈的距離間隔為23. 08mm。聚焦透鏡組7的聚焦點(diǎn)與聚焦透鏡組7透鏡最近的中心距為53. 98mm。
本系統(tǒng)中分光鏡4為一矩形石英平板，其中長為39mm、寬為23mm、厚為4mm。為了盡量消除由于分光鏡鍍膜造成的參考光譜與吸收光譜結(jié)構(gòu)上的差異，分光鏡4迎著光源的一側(cè)單面鍍反射膜。分光鏡4的下邊緣成45 倒角，倒角面與準(zhǔn)直透鏡組3的光軸11重合。作為參考光反射鏡5的三面直角棱鏡(見圖2)中，圓面13-1直徑為25. 4mm,高度為 19. 05mm，光束偏轉(zhuǎn)角為180 ，材料為JGSl。作為透射光反射鏡6的三面直角棱鏡13 (見圖2)中，棱鏡的圓面13-1直徑為50. 8mm，高度為38. 1mm，光束偏轉(zhuǎn)角及材料與參考光反射鏡5相同。反射鏡6裝在探頭15內(nèi)，探頭15設(shè)有被測氣體進(jìn)樣孔15-1。光纖8為芯徑 600 m的高透紫外光纖，光纖兩端均為SMA905標(biāo)準(zhǔn)接頭。
下面結(jié)合圖1 圖3說明本光學(xué)系統(tǒng)在煙氣組分濃度測量中應(yīng)用。
如圖3，測量前將探頭15從煙囪14的測量口徑向插入煙囪內(nèi)，煙氣從煙囪14通過時(shí)也同時(shí)從探頭15的氣體進(jìn)樣孔15-1通過，探頭15的氣體進(jìn)樣區(qū)域內(nèi)充滿了煙氣。
經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組3發(fā)出直徑為30mm的平行光束，該平行光束經(jīng)分光鏡4后分成測量光和參考光兩光束。
1.測量光束見圖1和圖2，測量光束是從準(zhǔn)直透鏡組3射出的直徑為30mm的右半部半圓柱形平行光束。擋板10旋轉(zhuǎn)至B狀態(tài)時(shí)，半圓柱形的測量光束按原光路方向從探頭15內(nèi)的被測煙氣中穿過，然后入射至透射光反射鏡6，透射光反射鏡6是如圖2所示的三面直角棱鏡，其由圓形底面13-1和三個(gè)直角面13-2組成；該三面直角棱鏡6 (即透射光反射鏡，下同)的對稱軸與準(zhǔn)直透鏡組3的光軸11重合。測量光束經(jīng)透射光反射鏡6內(nèi)部的三個(gè)直角面全反射后，即反向(沿圖1中的光軸11的左側(cè))射至分光鏡4 (未鍍反射膜的一側(cè))，繼而被其另一面所鍍的反射膜反射后，沿分光鏡4法線成45 角射出，即變成與入射光方向呈90 的平行光束向左進(jìn)入聚焦透鏡組7的上半部，被聚焦后進(jìn)入透紫外的石英光纖8，通過光纖8 的傳導(dǎo)作用再進(jìn)入光譜儀9，光譜儀將載有煙氣濃度的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)過一系列處理后變成數(shù)字量送入裝有煙氣濃度測量軟件的計(jì)算機(jī)。
2.參考光束參考光束是從準(zhǔn)直透鏡組3射出的直徑30mm的左半部半圓柱形平行光束入射到分光鏡4 (該面鍍有反射膜)，經(jīng)分光鏡4反射后，光線入射至參考光反射鏡5的三面直角棱鏡的上半圓面(參考光束射程內(nèi)不存在煙氣)，在擋板10旋轉(zhuǎn)至A狀態(tài)情況下，半圓柱形參考光束經(jīng)該三面直角棱鏡內(nèi)部全反射后從參考光反射鏡5的下半圓面沿著與聚焦透鏡組7光軸 12平行的方向向左入射至聚焦透鏡組7，平行光線經(jīng)透鏡組7聚焦后進(jìn)入透紫外的石英光纖8，通過光纖8將不包含任何被測對象濃度信息的參考光送入光譜儀9。利用該參考光和測量光可進(jìn)行煙氣濃度計(jì)算。
本光學(xué)系統(tǒng)的光路中設(shè)有擋板10，在計(jì)算機(jī)指令控制的旋轉(zhuǎn)電磁鐵帶動下，擋板 10可在圖1中的位置A和位置B之間進(jìn)行切換，使參考光和測量光交替工作，實(shí)現(xiàn)利用光纖光譜儀9對參考光和測量光進(jìn)行分時(shí)測量。
本光學(xué)系統(tǒng)中，光源1發(fā)出的光分成了兩路一路為不經(jīng)過被測氣體而直接進(jìn)入光電探測器9獲得的參考光強(qiáng)；另一路為先經(jīng)過被測氣體(即從探頭15中經(jīng)過)再進(jìn)入光電探測器9獲得的測量光強(qiáng)，隨后用基于Lambert-Beer定律的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行煙氣(被測氣體) 中某成分濃度計(jì)算。
權(quán)利要求
1.D0AS分析儀的高靈敏度光學(xué)系統(tǒng)，其特征是包含光源、準(zhǔn)直透鏡組、分光鏡、透射光反射鏡、聚焦透鏡組、參考光反射鏡、光纖、光纖光譜儀和活動擋板，所述準(zhǔn)直透鏡組和聚焦透鏡組均分別由間隔一定距離的大、小兩個(gè)透鏡組成；準(zhǔn)直透鏡組和聚焦透鏡組互為垂直設(shè)置，二者的光軸在大透鏡一側(cè)相交為光軸交點(diǎn)；所述光源和透射光反射鏡分別位于準(zhǔn)直透鏡組兩側(cè)的光軸上，其中透射光反射鏡位于所述光軸交點(diǎn)以外的位置；所述光纖一端位于聚焦透鏡組的小透鏡一側(cè)光軸上，另一端與光纖光譜儀相連；所述參考光反射鏡位于聚焦透鏡組光軸的大透鏡一側(cè)的所述光軸交點(diǎn)之外位置；所述分光鏡為鍍有反射膜的矩形石英玻璃，它斜置在準(zhǔn)直透鏡組與聚焦透鏡組相鄰側(cè)的二者光軸相交所成直角的角平分線上，即分光鏡同時(shí)以45°角斜置在準(zhǔn)直透鏡組的一半出射光束及聚焦透鏡組的一半入射光束的光路上；所述活動擋板可切換地?fù)踉跍?zhǔn)直透鏡組的另一半出射光束或聚焦透鏡組的另一半入射光束的光路上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DOAS分析儀的高靈敏度光學(xué)系統(tǒng)，其特征是所述準(zhǔn)直透鏡組和聚焦透鏡組中的大、小各透鏡均由熔融石英透鏡與紫外級的氟化鈣透鏡復(fù)合并以隔圈固定而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的DOAS分析儀的高靈敏度光學(xué)系統(tǒng)，其特征是所述分光鏡為單面鍍反射膜，且鍍有反射膜的一面向著準(zhǔn)直透鏡組，未鍍反射膜的一面向著聚焦透鏡組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的DOAS分析儀的高靈敏度光學(xué)系統(tǒng)，其特征是所述分光鏡處于準(zhǔn)直透鏡組光軸和聚焦透鏡組光軸相交處的邊緣加工成45°倒角，倒角面向著參考光反射鏡方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的DOAS分析儀的高靈敏度光學(xué)系統(tǒng)，其特征是所述透射光反射鏡和參考光反射鏡均為三面直角棱鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于氣體濃度檢測的DOAS分析儀的高靈敏度光學(xué)系統(tǒng)，互為垂直設(shè)置的準(zhǔn)直透鏡組和聚焦透鏡組的兩光軸在大透鏡一側(cè)相交為光軸交點(diǎn)；準(zhǔn)直透鏡組兩側(cè)的光軸上分別設(shè)有光源和透射光反射鏡；聚焦透鏡組兩側(cè)光軸上分別設(shè)有光纖光譜儀和參考光反射鏡；鍍有反射膜分光鏡位于準(zhǔn)直透鏡組與聚焦透鏡組相鄰側(cè)的二者光軸相交所成直角的角平分線上，分光鏡同時(shí)以45o角斜置在準(zhǔn)直透鏡組的一半出射光束及聚焦透鏡組的一半入射光束的光路上，兩透鏡組的另一半光束上設(shè)有可互相切換位置的活動擋板。由光源發(fā)出的光束一半進(jìn)入?yún)⒖脊饴?，另一半進(jìn)入測量光路。相同光源輻射條件下，通過本光學(xué)系統(tǒng)的光能較強(qiáng)，信噪比高，測量精度也提高。
文檔編號G01N21/31GK102495010SQ20111037080
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者凌雁波, 張西謀, 曲震, 湯光華, 王新培, 苗豐, 許明揚(yáng), 陳書建, 陳祥 申請人:南京國電環(huán)保設(shè)備有限公司