一種用于光譜氣體分析儀的消干涉方法
【專利說明】一種用于光譜氣體分析儀的消干涉方法
[0001] (一）技術(shù)領(lǐng)域 本發(fā)明涉及光譜分析儀，具體涉及一種用于光譜氣體分析儀的消干涉方法。
[0002] (二）【背景技術(shù)】 在基于光譜技術(shù)的氣體分析儀里，當(dāng)采樣氣室中的樣品無光譜結(jié)構(gòu)時(shí)，所采集的譜線 稱之為"光譜基線"。理想的光譜基線應(yīng)該是一條沒有偏置的沒有結(jié)構(gòu)的"零線"。然而，實(shí) 際的儀器由于種種原因，在光譜基線上除了有各種內(nèi)稟的噪聲之外，還會(huì)有各種結(jié)構(gòu)如周 期性結(jié)構(gòu)、偏置、傾斜。內(nèi)稟的噪聲可以通過成熟的方案如多次平均、濾波等技術(shù)大大降低 其影響。但是各種結(jié)構(gòu)均有其物理源，通過噪聲處理方案之后，這些結(jié)構(gòu)就會(huì)變得更加明 顯。造成這些結(jié)構(gòu)的物理源可能是多種多樣的，如半導(dǎo)體二極管激光器的構(gòu)造設(shè)計(jì)安裝、采 樣氣室隨溫度變化的機(jī)械穩(wěn)定性、光學(xué)部件的光學(xué)性能(衍射干涉)、電子線路的自激震蕩、 對(duì)外來干擾源的過濾性能等。這些結(jié)構(gòu)的存在嚴(yán)重影響分析儀的最小探測(cè)極限、探測(cè)靈敏 度、分析儀的分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。
[0003] 電子技術(shù)分析并解決電子線路的自激震蕩、對(duì)外來干擾源如電源的過濾性能提高 也是廣為人知的成熟方案，可以進(jìn)一步降低基線的信號(hào)幅度，提高分析儀性能。由光源半導(dǎo) 體二極管激光器的構(gòu)造設(shè)計(jì)是受制造工藝的限制，目前本類分析儀均采用當(dāng)今國(guó)際最先進(jìn) 的歐美制造商，提高的空間受限制，主動(dòng)權(quán)不在分析儀生產(chǎn)商手里。本專利申請(qǐng)一種技術(shù)方 案，可應(yīng)用在基于光譜技術(shù)的氣體分析儀里，通過新型的光學(xué)設(shè)計(jì)，降低由于干涉所造成的 基線結(jié)構(gòu)幅度，提高它的機(jī)械穩(wěn)定性，提高對(duì)溫度變化和機(jī)械振動(dòng)的抗干擾性能。
[0004] 基于激光的調(diào)制吸收光譜技術(shù)的分析儀通常會(huì)用到如下的光學(xué)部件如透鏡、高反 端鏡和透射窗口或參考?xì)馐业?。這些部件會(huì)根據(jù)具體激光光源的波段鍍有增透膜或增反 膜，提高了光的利用效率，降低了雜散光的產(chǎn)生，降低了可能產(chǎn)生的干涉信號(hào)的強(qiáng)度。普遍 常見的干涉條紋產(chǎn)生是由兩束相干光源在空間的疊加，在成像面的不同位置有不同的相位 差，從而形成明暗相間的空間分布的干涉條紋。而光譜基線的信號(hào)是經(jīng)過聚焦透鏡匯聚在 探測(cè)器表面的，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換而形成的光電流信。光斑的大小比探測(cè)器的尺寸小很多，即使有 空間的干涉條紋，也會(huì)被綜合平均到光電流信號(hào)中，而不會(huì)被分辨出來。光譜基線的周期性 結(jié)構(gòu)問題一直困擾著業(yè)界的研宄人員?，F(xiàn)經(jīng)過系列的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研宄光譜基線的周期性結(jié) 構(gòu)，提出了光干涉理論模型，很好的解釋了周期性結(jié)構(gòu)的一系列現(xiàn)象，驗(yàn)證了幾個(gè)因素的物 理關(guān)聯(lián)關(guān)系。
[0005] 出現(xiàn)在光譜基線上的周期性結(jié)構(gòu)仍然是由兩個(gè)平行表面的相干光干涉所形成的。 當(dāng)相干光經(jīng)過平行表面時(shí)，一級(jí)透射光和經(jīng)過兩個(gè)表面反射的二級(jí)透射光具有相同的傳播 方向，二者的傳播路徑重合或部分重合，二者有固定的光程差。對(duì)于固定波長(zhǎng)的相干光源， 固定的光程差對(duì)應(yīng)固定的相位差。當(dāng)相位差為180度時(shí)，二者產(chǎn)生相消干涉，對(duì)應(yīng)的光信號(hào) 變暗，轉(zhuǎn)換的光電流弱。當(dāng)相位差為0 (或360)度時(shí)，二者產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉，對(duì)應(yīng)的光信號(hào)變 強(qiáng)，轉(zhuǎn)換的光電流大。光譜儀掃描時(shí)，波長(zhǎng)連續(xù)變化，同樣的光程差對(duì)應(yīng)不同的相位差，從而 在光信號(hào)的直流部分疊加了干涉的周期性結(jié)構(gòu)?；诩す獾恼{(diào)制吸收光譜技術(shù)，采用二倍 頻解調(diào)，過濾出其直流信號(hào)部分，具有很高的靈敏度，在測(cè)量痕量氣體含量的應(yīng)用方面很有 優(yōu)勢(shì)?；谕瑯拥母哽`敏度原因，基線的周期性結(jié)構(gòu)盡管很弱，也會(huì)被檢測(cè)到，對(duì)于進(jìn)一步 提高分析儀的靈敏度和探測(cè)低限形成了障礙。一般的厚度d為l-2mm，在整個(gè)掃描內(nèi)范圍 內(nèi)只出現(xiàn)一個(gè)周期或者一個(gè)周期的局部結(jié)構(gòu)。因?yàn)楣舛啻未┻^同一光學(xué)窗口或多個(gè)光學(xué)窗 口，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)不同強(qiáng)度的干涉源疊加情況，不會(huì)方便地辨別出來其光干涉的本質(zhì)，常常被 誤認(rèn)為別的因素導(dǎo)致，花費(fèi)大量的精力研宄。隨著溫度的變化，光譜基線還會(huì)左右移動(dòng)，對(duì) 目標(biāo)分析物的光譜干擾，影響測(cè)量精度。圖1給出了一個(gè)具體的展示，當(dāng)各種因素特定配置 時(shí)，在光譜基線上和滿量程的信號(hào)光譜上，均會(huì)出現(xiàn)光干涉的周期性結(jié)構(gòu)。
[0006] (三）
【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用于光譜氣體分析儀的消干涉方法，該 方法操作簡(jiǎn)單、效果好。
[0007] 本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的： 一種用于光譜氣體分析儀的消干涉方法，其特殊之處在于：包括以下步驟的至少一 種： (1) 破除光學(xué)部件表面的平行性，同時(shí)維持入射光和透射光的同向性； (2) 光學(xué)部件外設(shè)置增透膜，通過加強(qiáng)增透膜的透射率，進(jìn)一步降低光學(xué)窗口的反射 率； (3) 降低光源的相干性； (4) 增加一級(jí)透射光和二級(jí)透射光的空間分離，減少空間重合； (5) 改變具有平行表面的光學(xué)部件的厚度d; (6) 破壞表面的平滑度。
[0008] 一種用于光譜氣體分析儀的消干涉方法中的光學(xué)部件，光學(xué)部件的兩個(gè)外表面對(duì) 應(yīng)的傾斜角相同。
[0009] 本發(fā)明的用于光譜氣體分析儀的消干涉方法的光學(xué)部件，光學(xué)部件包括上楔形、 下楔形及中間標(biāo)準(zhǔn)的平行面的窗口。
[0010] 本發(fā)明的用于光譜氣體分析儀的消干涉方法的光學(xué)部件，光學(xué)部件包括兩個(gè)相同 的楔形窗口。
[0011] 本發(fā)明的用于光譜氣體分析儀的消干涉方法的光學(xué)部件，光學(xué)部件的外表面與側(cè) 面并不正交。
[0012] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明所述方法可應(yīng)用在基于光譜技術(shù)的氣體分析儀里，通 過新型的光學(xué)設(shè)計(jì)，降低由于干涉所造成的基線結(jié)構(gòu)幅度，提高它的機(jī)械穩(wěn)定性，提高對(duì)溫 度變化和機(jī)械振動(dòng)的抗干擾性能。
[0013] (四）【附圖說明】 附圖1為一出現(xiàn)在光譜基線和滿量程的信號(hào)光譜上個(gè)典型的干涉性周期