一種紅外光譜雙路測量裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種光譜測量裝置及方法，屬于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及一種紅外光譜雙路測量裝置及方法。該裝置及方法采用“單檢測器單吸收池”結(jié)構(gòu)，降低了儀器成本，通過轉(zhuǎn)鏡式機(jī)構(gòu)實現(xiàn)時間序列上的背景和樣品測量，通過算法補(bǔ)償采用單吸收池帶來的光強(qiáng)衰減，保證測量結(jié)果的穩(wěn)定可靠，并實現(xiàn)了測量的自動化，可實現(xiàn)開機(jī)即監(jiān)測能力，適用于應(yīng)急環(huán)境下的監(jiān)測。
【專利說明】
一種紅外光譜雙路測量裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光譜測量裝置及方法，屬于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及一種紅外光譜雙路測量裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在大氣污染氣體的監(jiān)測中，可根據(jù)物質(zhì)對不同波長的紅外輻射的吸收特性，進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成分析。傳統(tǒng)的單光束測量裝置如附圖1所示，其光譜測量結(jié)果受光源穩(wěn)定性影響較大，必須等光源穩(wěn)定之后才可以測量，從開機(jī)到正式測量至少要等半小時，因此，不具備開機(jī)即檢測能力；當(dāng)測量過程中，若需要再次測量背景時，則必須中斷當(dāng)前的樣品測量，需要人為參與，無法實現(xiàn)測量的自動化。
[0003]為了解決上述問題，現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)存在一些雙光束測量裝置。如附圖2和附圖3所示，現(xiàn)有技術(shù)中的雙光束測量裝置主要有“雙吸收池單檢測器”以及“雙吸收池雙檢測器”兩種結(jié)構(gòu)。一方面由于吸收池造價高昂，使用雙吸收池會增加儀器設(shè)備的成本；另一方面，由于檢測器參數(shù)很難嚴(yán)格匹配，受溫漂，噪聲等影響，雙檢測器很難保證長期測量結(jié)果的穩(wěn)定性和一致性。
[0004]基于這一現(xiàn)狀， 申請人:發(fā)明了一種紅外光譜雙路測量裝置及方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的“使用雙吸收池會增加儀器設(shè)備成本”的問題以及“使用雙檢測器難以保證長期測量結(jié)果的穩(wěn)定性和一致性”的問題，提供了一種紅外光譜雙路測量裝置及方法，該裝置及方法采用“單檢測器單吸收池”結(jié)構(gòu)，降低了儀器成本，通過轉(zhuǎn)鏡式機(jī)構(gòu)實現(xiàn)時間序列上的背景和樣品測量，通過算法補(bǔ)償采用單吸收池帶來的光強(qiáng)衰減，保證測量結(jié)果的穩(wěn)定可靠，并實現(xiàn)了測量的自動化，可實現(xiàn)開機(jī)即監(jiān)測能力，適用于應(yīng)急環(huán)境下的監(jiān)測。
[0006]本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的:
[0007]一種紅外光譜雙路測量裝置，包括:光路選擇器，位于光路選擇器下方的第一反射鏡，位于光路選擇器前方的第二反射鏡，位于第二反射鏡下方的能夠反射和透射光線的分光器，位于第二反射鏡和分光器中間的用于充入氣體的氣室，位于分光器前方的聚光鏡，位于聚光鏡光線聚焦方向上的紅外線探測儀，其中:光路選擇器包括能夠透射光線的光路透射部分和能夠反射光線的光路反射部分，并且光路選擇器能夠旋轉(zhuǎn)從而交換光路透射部分和光路反射部分的位置。
[0008]優(yōu)化的，上述的一種紅外光譜測量裝置，光路選擇器的光路透射部分和光路反射部分相對于光路選擇器的中心呈對稱分布。
[0009]一種利用上述紅外光譜雙路測量裝置進(jìn)行紅外光譜測量的方法，包括以下步驟:
[0010]反射模式測量步驟，將待測樣氣充入氣室，旋轉(zhuǎn)光路選擇器使光路選擇器的光路反射部分位于光線入射光路，利用光路反射部分、第二反射鏡、分光器、聚光鏡組成的光路將光線引至紅外線探測儀，計算反射光穿過氣室后的單光束反射光強(qiáng)度Si;
[0011]透射模式測量步驟，旋轉(zhuǎn)光路選擇器使光路選擇器的光路透射部分位于光線入射光路，利用光路透射部分、第一反射鏡、分光器、聚光鏡組成的光路將光線引至紅外線探測儀，計算單光束透射光強(qiáng)度S2 ；
[0012]樣氣濃度計算步驟，利用測量得到的SI和S2計算待測樣氣濃度。
[0013]優(yōu)化的，上述的一種紅外光譜測量的方法，所述樣氣濃度測量步驟包括:
[0014]透過率計算子步驟，基于公式T = S1/S2計算得到光譜透過率T，式中，T為光譜透過率，S2為所述單光束透射光強(qiáng)度，SI為所述的單光束反射光強(qiáng)度；吸光度計算子步驟，基于公式A = _log(T)+loglO(a )計算得到光譜吸光度A，式中，a為通過吸收池時的光強(qiáng)衰減系數(shù)；濃度值計算子步驟，根據(jù)光譜吸光度A值和比爾定律計算出待測樣氣的濃度值。
[0015]優(yōu)化的，上述的一種紅外光譜測量的方法，所述光強(qiáng)衰減系數(shù)a基于以下方法得到:在透射模式下測量光譜強(qiáng)度S2后，再在透射光路中引入一個空的吸收池，測量光穿過該吸收池的強(qiáng)度S0，然后基于公式a =S0/S2得到。
[0016]因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:1.設(shè)備成本更低，采用單吸收池結(jié)構(gòu)，降低了儀器成本；2.測量結(jié)果更可靠，采用單檢測器，單吸收池結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)鏡式機(jī)構(gòu)實現(xiàn)時間序列上的背景和樣品測量，通過算法補(bǔ)償采用單吸收池帶來的光強(qiáng)衰減，保證測量結(jié)果的穩(wěn)定可靠；3.自動化程度更高，相對單光束測量裝置，實現(xiàn)了測量的自動化，可實現(xiàn)開機(jī)即監(jiān)測能力，適用于應(yīng)急環(huán)境下的監(jiān)測。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]附圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的單光束測量裝置。
[0018]附圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的雙光束測量裝置。
[0019]附圖3是現(xiàn)有技術(shù)中的另一種雙光束測量裝置。
[0020]附圖4是本發(fā)明的紅外光譜雙路測量裝置的反射工作模式光路圖。
[0021]附圖5是本發(fā)明的紅外光譜雙路測量裝置的透射工作模式光路圖。
[0022]附圖6是本發(fā)明的紅外光譜雙路測量方法中各類光譜強(qiáng)度對比圖。

【具體實施方式】
[0023]下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。
[0024]實施例:
[0025]如圖4-5所示，一種紅外光譜雙路測量裝置，包括:光路選擇器，位于光路選擇器下方的第一反射鏡，位于光路選擇器前方的第二反射鏡，位于第二反射鏡下方的能夠反射和透射光線的分光器，位于第二反射鏡和分光器中間的用于充入氣體的氣室，位于分光器前方的聚光鏡，位于聚光鏡光線聚焦方向上的紅外線探測儀，其中:所述光路選擇器包括相對于光路選擇器的中心呈對稱分布的能夠透射光線的光路透射部分和能夠反射光線的光路反射部分，并且所述光路選擇器能夠旋轉(zhuǎn)從而交換所述光路透射部分和所述光路反射部分的位置。
[0026]本發(fā)明的紅外光譜雙路測量方法包括:反射模式測量步驟、樣氣濃度計算步驟。
[0027]反射模式測量步驟如圖4所示，首先將待測樣氣充入氣室，旋轉(zhuǎn)光路選擇器使光路選擇器的光路反射部分位于光線入射光路，利用光路反射部分、第二反射鏡、分光器、聚光鏡組成的光路將光線引至紅外線探測儀，計算單光束光譜Si;
[0028]透射模式測量步驟如圖5所示，旋轉(zhuǎn)光路選擇器使光路選擇器的光路透射部分位于光線入射光路，利用光路透射部分、第一反射鏡、分光器、聚光鏡組成的光路將光線引至紅外線探測儀，計算單光束光譜強(qiáng)度S2 ;
[0029]樣氣濃度計算步驟，利用測量得到的SI和S2得到待測樣氣濃度。
[0030]由于反射模式下，紅外光信號通過吸收池，比透射模式下，有更多的反射次數(shù)，產(chǎn)生單光束強(qiáng)度的整體衰減。
[0031]在傳統(tǒng)測量方法中，如圖2-3所示，光線要通過零氣吸收池時的光譜強(qiáng)度為S0，光線通過樣氣吸收池時的光譜強(qiáng)度為SI，其光譜透過率Tl = S1/S0,光譜吸光度A=-1oglO (Tl)。
[0032]本發(fā)明中，光譜透過率T = S1/S2,與傳統(tǒng)方法的區(qū)別是，透射模式下，光線不通過吸收池，因此，S2比SO少了一個整體的光強(qiáng)衰減系數(shù)，定義該衰減系數(shù)為α，則應(yīng)有S2 =SO/α，
[0033]那么光譜透過率為T = S1/S2 = α Tl。
[0034]則有光譜吸光度A = -1oglO (Tl) = -1oglO (T/a ) = -1oglO (T) +1glO ( α )。
[0035]由于裝置各部件確定后，其光強(qiáng)衰減系數(shù)α為一固定值，所以，在透射模式下測量光譜強(qiáng)度S2后，再在透射光路中引入一個空的吸收池，測量光穿過該吸收池的強(qiáng)度S0，然后基于公式a =S0/S2可以得到α的值。當(dāng)裝置各部件確定后，該衰減系數(shù)α是一固定值，所以可直接視為常數(shù)參與計算。
[0036]在以上步驟之后，可以再根據(jù)光譜吸光度A值和比爾定律A = kc即可計算出待測樣氣的濃度值。
[0037]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種紅外光譜雙路測量裝置，其特征在于，包括:光路選擇器，位于光路選擇器下方的第一反射鏡，位于光路選擇器前方的第二反射鏡，位于第二反射鏡下方的能夠反射和透射光線的分光器，位于第二反射鏡和分光器中間的用于充入氣體的氣室，位于分光器前方的聚光鏡，位于聚光鏡光線聚焦方向上的紅外線探測儀，其中:所述光路選擇器包括能夠透射光線的光路透射部分和能夠反射光線的光路反射部分，并且所述光路選擇器能夠旋轉(zhuǎn)從而交換所述光路透射部分和所述光路反射部分的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外光譜測量裝置，其特征在于，所述光路選擇器的光路透射部分和光路反射部分相對于光路選擇器的中心呈對稱分布。
3.—種利用上述紅外光譜雙路測量裝置進(jìn)行紅外光譜測量的方法，其特征在于，包括以下步驟: 反射模式測量步驟，將待測樣氣充入氣室，旋轉(zhuǎn)光路選擇器使光路選擇器的光路反射部分位于光線入射光路，利用光路反射部分、第二反射鏡、分光器、聚光鏡組成的光路將光線引至紅外線探測儀，計算反射光穿過氣室后的單光束反射光強(qiáng)度51 ； 透射模式測量步驟，旋轉(zhuǎn)光路選擇器使光路選擇器的光路透射部分位于光線入射光路，利用光路透射部分、第一反射鏡、分光器、聚光鏡組成的光路將光線引至紅外線探測儀，計算單光束透射光強(qiáng)度52 ； 樣氣濃度計算步驟，利用測量得到的51和52計算待測樣氣濃度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種紅外光譜測量的方法，其特征在于，所述樣氣濃度測量步驟包括: 透過率計算子步驟，基于公式I = 31/32計算得到光譜透過率I'，式中，I為光譜透過率，52為所述單光束透射光強(qiáng)度，51為所述的單光束反射光強(qiáng)度； 吸光度計算子步驟，基于公式八=-10^ (1) +10810 ( 0 )計算得到光譜吸光度八，式中，3為通過吸收池時的光強(qiáng)衰減系數(shù)； 濃度值計算子步驟，根據(jù)光譜吸光度4值和比爾定律計算出待測樣氣的濃度值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種紅外光譜測量的方法，其特征在于，所述光強(qiáng)衰減系數(shù)3基于以下方法得到:在透射模式下測量光譜強(qiáng)度32后，再在透射光路中引入一個空的吸收池，測量光穿過該吸收池的強(qiáng)度30，然后基于公式0 =30/32得到。
【文檔編號】G01N21/3504GK104458638SQ201410794543
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月18日
【發(fā)明者】李虹杰, 任利兵, 張潔, 李愷驊 申請人:武漢宇虹環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司