CN211877753U - 一种痕量气体浓度检测的光谱系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种痕量气体浓度检测的光谱系统，光源发出的光线经准直后，形成不同角度的平行光，入射到光学吸收腔，在物镜和场镜之间进行多次折返，被光学吸收腔内气体吸收后的光线，入射至非对称三角共路结构的分束板上，入射至分束板的光线被1:1分为两路，一路由分束板透射至第一平面反射镜，经第一平面反射镜反射至第二平面反射镜，再经过第二平面反射镜反射至分束板，最后由分束板透射至会聚镜；另一路由分束板反射至第二平面反射镜，经第二平面反射镜反射至第一平面反射镜，再由第一平面反射镜反射至分束板，最后由分束板反射至会聚镜；会聚镜将两路光线会聚，并成像至线阵探测器上。本实用新型具有低成本、高通量、高信噪比的优势。
Description
技术领域
本实用新型属于光电检测技术领域，涉及一种痕量气体浓度检测的光谱系统。
背景技术
光学吸收光谱法是一种气体浓度检测方法，而气体的光谱获取是光学吸收光谱法进行浓度反演的基础和关键技术。
目前，传统的吸收光谱法检测气体浓度多采用气体吸收腔增加气体光程，通过增加光线在气体中的光程，提高对低浓度痕量气体的检测能力(提高检出限)。并在吸收腔的输出孔径处以光纤光谱仪进行目标气体特征吸收光谱获取，再利用光学吸收光谱技术对气体的浓度进行反演。
光纤光谱仪的的工作原理是基于光栅色散分光。利用光栅的色散能力，将狭缝光线按照波长在空间分开，并用线阵探测器接收。线阵探测器上不同位置的感光单元接收到不同波长的能量，最终得到痕量气体在整个波段的范围的光谱。光纤光谱仪受其光栅色散分光原理的限制，此类光纤光谱仪具有谱线弯曲，波长精度有限；此外，其狭缝宽度直接影响仪器的光谱分辨率。因此，为获得较高光谱分辨率，需要将狭缝宽度做的很窄。这在很大程度上影响了整个系统的光通量，无法得到较高信噪比的光谱信号，致使其对痕量气体吸收光谱的探测能力较低。
气体吸收腔充有待测痕量气体。光源发出的光线被准直后，平行光进入气体吸收腔的输入孔径，并在物镜和场镜的多次反射后，在气体吸收腔的出射孔径以平行光出射；在气体吸收腔的出射孔径处以光纤探头接收光线，并传导至光纤光谱仪。进入光纤光谱仪的光线，在光谱仪内部，经过狭缝限制其通光孔径，经过准直镜入射到光栅，经过光栅分光后的光线被聚光镜会聚至线阵探测器上。
传统气体检测光谱系统的缺点：
1.为使用光纤光谱仪，吸收腔的光线输入孔径非常小，限制了系统的光通量，从而影响痕量气体浓度的检测限。
2.吸收腔的输出孔径也很小，出射的光线由光纤传导，光通量受到光纤孔径的限制；光通量和光能利用率低；在一定程度上降低了系统的光谱灵敏度。
3.光纤光谱仪的光栅色散分光原理决定了其不可避免的具有谱线弯曲的缺点，并在光谱仪中使用宽度与光谱分辨率成反比的狭缝，因此，其光谱精度和光通量收到限制。
实用新型内容
(一)实用新型目的
本实用新型的目的是：提供一种痕量气体浓度检测的光谱系统，克服光栅光谱仪狭缝宽度与光谱分辨率成反比的缺点，使用宽狭缝提高系统的光通量和灵敏度的同时，保证较高的光谱分辨率；采用干涉分光的原理，无需光栅分光，避免光栅分光引起的谱线弯曲；与光栅相比，降低干涉分光器件成本。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种痕量气体浓度检测的光谱系统，其包括光源、准直镜、光学吸收腔、非对称三角共路结构、会聚镜和线阵探测器；光学吸收腔包括物镜和场镜，非对称三角共路结构包括第一平面反射镜、第二平面反射镜和分束板；光源发出的光线经准直镜准直后，形成不同角度的平行光，入射到光学吸收腔的物镜，并在光学吸收腔的物镜和场镜之间进行多次折返；通过多次折返，被光学吸收腔内气体吸收后的光线，入射至非对称三角共路结构的分束板上，入射至分束板的光线被1:1分为两路，一路由分束板透射至第一平面反射镜，经第一平面反射镜反射至第二平面反射镜，再经过第二平面反射镜反射至分束板，最后由分束板透射至会聚镜；另一路由分束板反射至第二平面反射镜，经第二平面反射镜反射至第一平面反射镜，再由第一平面反射镜反射至分束板，最后由分束板反射至会聚镜；会聚镜将两路光线会聚，并成像至线阵探测器上。
其中，相同入射角度的平行光成像至会聚镜像面的同一点上形成干涉，两路光线的光程差随入射角度不同发生变化，在线阵探测器像元分布方向的不同像素点上得到随光程差变化的明暗相间的干涉光信号；对线阵探测器像元分布方向上，不同像素点的信号进行去噪声和去直流预处理，并进行傅里叶变换，得到气体的吸收光谱。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的痕量气体浓度检测的光谱系统，使用多光程气体吸收腔增加光线在待测气体中的光程，提高信噪比，以提高气体浓度检出限和检测精度；该系统的光谱采集系统采用三角非对称光路干涉装置，获取目标气体的干涉信号，并利用傅里叶变换获取目标气体吸收光谱。
附图说明
图1为本实用新型痕量气体检测光谱系统原理图。
图中，1-光源，2-准直镜，3-物镜，4-场镜，5-平面反射镜1，6- 平面反射镜2，7-分束板，8-会聚镜，9-线阵探测器
具体实施方式
为使本实用新型的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。
本实用新型系统将光学吸收腔和光谱探测装置有机结合，形成一体化装置，光学吸收腔用于增加光线在气体中的折返次数以增加光程，提高气体吸收光谱信噪比，从而达到提高气体浓度检出限的目的。本实用新型系统以非对称三角共路结构对光学吸收腔的出射光线进行干涉，并通过干涉信号的傅里叶变换获取气体吸收光谱。在整个系统中，光谱分辨率不受光源狭缝宽度的限制，可以使用宽狭缝光源进行照明，从而提高系统整体的光通量，进而提高整个系统的信噪比，达到提高气体浓度检测精度和检出限的目的。与传统光纤光谱仪的光栅分光原理相比，实现干涉分光无谱线弯曲、成本更低的优点。
如图1所示，本实用新型痕量气体浓度检测的光谱系统包括光源、准直镜、光学吸收腔、非对称三角共路结构、会聚镜和线阵探测器；光学吸收腔包括物镜和场镜，非对称三角共路结构包括第一平面反射镜、第二平面反射镜和分束板；光源发出的光线经准直镜准直后，形成不同角度的平行光，入射到光学吸收腔的物镜，并在光学吸收腔的物镜和场镜之间进行多次折返；通过多次折返，被光学吸收腔内气体吸收后的光线，入射至非对称三角共路结构的分束板上，入射至分束板的光线被1:1分为两路，一路由分束板透射至第一平面反射镜，经第一平面反射镜反射至第二平面反射镜，再经过第二平面反射镜反射至分束板，最后由分束板透射至会聚镜；另一路由分束板反射至第二平面反射镜，经第二平面反射镜反射至第一平面反射镜，再由第一平面反射镜反射至分束板，最后由分束板反射至会聚镜；会聚镜将两路光线会聚，并成像至线阵探测器上。
上述系统中，相同入射角度的平行光成像至会聚镜像面的同一点上形成干涉，两路光线的光程差随入射角度不同发生变化。因此，在线阵探测器像元分布方向的不同像素点上可以得到随光程差变化的明暗相间的干涉光信号。对线阵探测器像元分布方向上，不同像素点的信号进行去噪声和去直流等预处理，并进行傅里叶变换，就可以得到气体的吸收光谱。
上述系统中，光源为线状光源或宽狭缝光源；分束板为半透半反镜；第一平面反射镜和第二平面反射镜之间的夹角为45°；分束板位于第一平面反射镜和第二平面反射镜之间，与两平面反射镜的夹角均为22.5°；第一平面反射镜和第二平面反射镜与分束板呈非对称放置，其中第一平面反射镜的位置为：以分束板为对称轴，第二平面反射镜对称位置进行平行偏移得到。线阵探测器像元分布方向与线状光源或宽狭缝的方向一致。
具体实施中，准直镜可采用球面反射镜或长焦距透镜(f＝75mm)；气体吸收腔可采用White型或改进White型的Chernin多光程气体吸收腔；会聚镜采用凹球面反射镜或会聚透镜；使用线阵探测器接收会聚镜像面上的不同位置的明暗相间的干涉信号；对线阵探测器得到的干涉信号进行去直流和切趾等预处理，并进行傅里叶变换，就可以获取痕量气体的吸收光谱。
本实用新型与传统的气体吸收腔和光纤光谱仪的分体式装置不同。传统气体检测装置在光学吸收腔的出射孔径后利用光纤连接光栅色散分光的光纤光谱仪；而本实用新型将光学气体吸收腔和非对称三角共路干涉有机结合起来，形成一体化装置。在吸收腔入射孔径前可使用线光源或宽狭缝，在整个装置无受限于光谱分辨率的狭缝，具有高通量，高信噪比的优势。
与现有技术的方式相比，本实用新型系统无狭缝限制和二次准直，具有高通量的、高灵敏度的优势；利用干涉原理获取不同光程差的干涉信号，并进行傅里叶变换得到痕量气体吸收光谱，无传统光栅分光的谱线弯曲缺点，并具有低成本的优点；使用单点探测器，可降低成本。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种痕量气体浓度检测的光谱系统，其特征在于，包括光源、准直镜、光学吸收腔、非对称三角共路结构、会聚镜和线阵探测器；光学吸收腔包括物镜和场镜，非对称三角共路结构包括第一平面反射镜、第二平面反射镜和分束板；光源发出的光线经准直镜准直后，形成不同角度的平行光，入射到光学吸收腔的物镜，并在光学吸收腔的物镜和场镜之间进行多次折返；通过多次折返，被光学吸收腔内气体吸收后的光线，入射至非对称三角共路结构的分束板上，入射至分束板的光线被1:1分为两路，一路由分束板透射至第一平面反射镜，经第一平面反射镜反射至第二平面反射镜，再经过第二平面反射镜反射至分束板，最后由分束板透射至会聚镜；另一路由分束板反射至第二平面反射镜，经第二平面反射镜反射至第一平面反射镜，再由第一平面反射镜反射至分束板，最后由分束板反射至会聚镜；会聚镜将两路光线会聚，并成像至线阵探测器上。
2.如权利要求1所述的痕量气体浓度检测的光谱系统，其特征在于，相同入射角度的平行光成像至会聚镜像面的同一点上形成干涉，两路光线的光程差随入射角度不同发生变化，在线阵探测器像元分布方向的不同像素点上得到随光程差变化的明暗相间的干涉光信号；对线阵探测器像元分布方向上，不同像素点的信号进行去噪声和去直流预处理，并进行傅里叶变换，得到气体的吸收光谱。
3.如权利要求2所述的痕量气体浓度检测的光谱系统，其特征在于，所述光源为线状光源或宽狭缝光源。
4.如权利要求2所述的痕量气体浓度检测的光谱系统，其特征在于，所述分束板为半透半反镜。
5.如权利要求2所述的痕量气体浓度检测的光谱系统，其特征在于，所述第一平面反射镜和第二平面反射镜之间的夹角为45°。
6.如权利要求5所述的痕量气体浓度检测的光谱系统，其特征在于，所述分束板位于第一平面反射镜和第二平面反射镜之间，与两平面反射镜的夹角均为22.5°；第一平面反射镜和第二平面反射镜与分束板呈非对称放置，其中第一平面反射镜的位置为：以分束板为对称轴，第二平面反射镜对称位置进行平行偏移得到。
7.如权利要求2所述的痕量气体浓度检测的光谱系统，其特征在于，所述线阵探测器像元分布方向与线状光源或宽狭缝的方向一致。
8.如权利要求2所述的痕量气体浓度检测的光谱系统，其特征在于，所述准直镜采用球面反射镜或长焦距透镜。
9.如权利要求2所述的痕量气体浓度检测的光谱系统，其特征在于，所述光学吸收腔采用White型或改进White型的Chernin多光程气体吸收腔。
10.如权利要求2所述的痕量气体浓度检测的光谱系统，其特征在于，所述会聚镜采用凹球面反射镜或会聚透镜。
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| CN111208072A (zh) * | 2019-11-05 | 2020-05-29 | 苏州智曜科技有限公司 | 一种痕量气体浓度检测的光谱系统 |
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