CN113390812A - 傅立叶变换红外光谱仪及气体浓度检测方法 - Google Patents

Abstract

一种傅立叶变换红外光谱仪及气体浓度检测方法，该傅立叶变换红外光谱仪包括：激光源；干涉模块，其中，所述干涉模块包括：棱镜；分束片；四分之一波片；定镜；补偿片；动镜；以及光电信息转换模块，包括：分光棱镜；以及两个光电管。

Description

傅立叶变换红外光谱仪及气体浓度检测方法

技术领域

本发明涉及多种气体的浓度的分析装置，特别涉及傅立叶变换红外光谱仪及气体浓度检测方法。

背景技术

随着工业的发展和生活垃圾日益增多，随之而产生的有毒有害气体严重影响了空气的质量，进而影响到了人们的身体健康。傅立叶红外变换光谱技术以其精度高、适用范围广、响应速度快、寿命长、使用方便等特点，成为气体定量分析领域较为理想的监测手段，然而傅立叶变换红外光谱仪尚且存在进一步改进的需要。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供傅立叶变换红外光谱仪及气体浓度检测方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种傅立叶变换红外光谱仪，包括：激光源，用于提供激光；干涉模块，用于使所述激光源发出的激光发生干涉，其中，所述干涉模块包括：棱镜，用于折射所述激光源产生的激光；分束片，用于将经所述棱镜折射后的激光分成发生反射的反射激光和发生透射的透射激光；四分之一波片，用于使经所述分束片反射后的反射激光沿垂直于所述四分之一波片方向透过四分之一波片后产生具有相位差的寻常光和非寻常光；定镜，用于对所述四分之一波片产生的具有相位差的所述寻常光和非寻常光进行反射并沿原路返回至所述分束片；补偿片，用于对所述分束片透射的透射激光进行补偿；动镜，用于将经所述补偿片补偿后的所述透射激光进行反射并沿原路返回至所述分束片，所述动镜沿所述透射激光的方向往复运动，以使返回至所述分束片的所述透射激光分别与所述寻常光和非寻常光产生光程差并发生干涉，产生具有相位差的第一激光干涉信号和第二激光干涉信号；以及光电信息转换模块，包括：分光棱镜，用于将产生的具有相位差的第一激光干涉信号和第二激光干涉信号分为两路；以及两个光电管，用于分别接收具有相位差的第一激光干涉信号和第二激光干涉信号，并且将所述第一激光干涉信号和第二激光干涉信号转换成电信号。

作为本发明的第二个方面，提供了一种利用如上所述的傅立叶变换红外光谱仪进行气体浓度检测的方法，包括如下步骤：利用激光对所述傅立叶红外光谱仪进行调准，包括：将激光源产生的激光经棱镜反射到分束片上，分成两束激光，一束经分束片反射，一束经分束片透射；所述经分束片反射的激光，经四分之一波片后，产生具有相位差的激光；所述具有相位差的激光，经定镜反射到所述分束片；所述经分束片透射的激光经动镜反射后和所述经定镜反射的具有相位差的激光发生干涉，产生具有相位差的激光干涉信号；以及所述具有相位差的激光干涉信号，经分光棱镜，分别被不同的光电管接收，通过对所述光电管产生的电信号进行分析，进而对所述傅立叶变换红外光谱仪进行调整，使所述傅立叶变换红外光谱仪处于理想目标状态。

从上述技术方案可以看出，本发明的傅立叶变换红外光谱仪及气体浓度检测方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

本发明的傅立叶变换红外光谱仪中的四分之一波片，使经分束片反射的激光，产生两束具有相位差的激光，这两束具有相位差的激光与经分束片透射的光发生干涉，产生两束具有相位差的激光干涉信号，上述具有相位差的两束激光干涉信号分别被两个光电管接收后将激光干涉信号转换成电信号。通过对电信号的分析，从而可以对动镜的运动状态进行调节，以便将傅立叶变换红外光谱仪调成理想状态。

附图说明

图1是本发明的傅立叶变换红外光谱仪的结构示意图；

图2是本发明的傅立叶变换红外光谱仪动镜部分的局部放大图；

图3是图1的顶视图；

图4是本发明的傅立叶变换红外光谱仪分束片及补偿片安装示意图；

图5A和图5B是本发明的傅立叶变换红外光谱仪弹性胶垫的示意图；

图6是本发明的傅立叶变换红外光谱仪的分束片的局部放大示意图；

图7A和图7B分别是本发明动镜作前后运动时第一激光干涉信号和第二激光干涉信号转换成的电信号；

图8是本发明的傅立叶变换红外光谱仪的红外干涉图；

图9是本发明的红外干涉图经傅立叶变换后得到的红外光源在空气中的光谱图。

附图标记说明

1音圈电机 2控制电路板 3摆动结构

4检零开关 5挡光片 6动镜

7补偿片 8分束片 9四分之一波片

10定镜 11棱镜 12红外光源

13光电管A 14分光棱镜 15光电管B

16离轴抛物面镜 17检测器 18氦氖激光器

19弹性胶条 20弹性胶垫A 21弹性胶垫B

22安装块A 23安装块B 24分束片过激光面

25分束片过红外光面 26分束片遮光面 31固定支点A

32摆动支点A 33固定支点B 34摆动支点B

具体实施方式

傅立叶变换红外光谱仪利用迈克耳孙干涉仪原理，使氦氖激光器产生的632.8nm的激光产生干涉现象，并作为准直光源。红外宽带光源和激光在一个光路***中，红外光源经过干涉后，通过A/D采集干涉后的数据，将数据经过傅立叶变换后，得到红外光的光谱数据，进而可以对待测气体的浓度进行分析。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

根据本发明的实施例，提供了一种傅立叶变换红外光谱仪，如图1所示，包括：激光源，用于提供激光；干涉模块，用于使激光源发出的激光发生干涉，其中，干涉模块包括：棱镜11，用于折射激光源产生的激光；分束片8，用于将经棱镜折射后的激光分成发生反射的反射激光和发生透射的透射激光；四分之一波片9，用于使经分束片8反射后的反射激光沿垂直于所述四分之一波片方向透过四分之一波片9后产生具有相位差的寻常光和非寻常光；定镜10，用于对四分之一波片9产生的具有相位差的寻常光和非寻常光进行反射并沿原路返回至分束片；补偿片7，用于对分束片8透射的透射激光进行补偿；动镜6，用于将经补偿片7补偿后的透射激光进行反射并沿原路返回至分束片8，动镜6沿透射激光的方向往复运动，以使返回至分束片8的透射激光分别与寻常光和非寻常光产生光程差并发生干涉，产生具有相位差的第一激光干涉信号和第二激光干涉信号；以及光电信息转换模块，包括：分光棱镜14，用于将产生的具有相位差的第一激光干涉信号和第二激光干涉信号分为两路；以及两个光电管，分别为光电管A13和光电管B15用于分别接收具有相位差的第一激光干涉信号和第二激光干涉信号，并且将第一激光干涉信号和第二激光干涉信号转换成电信号信号。

本发明的傅立叶红外光谱仪增加了四分之一波片9，能够产生两束具有相位差的激光干涉信号，这两束具有相位差的激光干涉信号可以转换成电信号，结果如图7A和图7B所示。傅立叶红外光谱仪中具有正交编码计数器，通过记录动镜移动的步数数据，将正交编码计数器和图7A、图7B结合，就能准确判断动镜所处的位置，从而增强抗干扰的能力。具有相位差的激光干涉信号可以经电路板2放大、整形，通过记录分束片上干涉条纹出现的次数和出现的频率，可以对动镜6的运动速度进行调节。根据红外干涉峰的位置，可以减少动镜移动的距离。

根据本发明的实施例，傅立叶变换红外光谱仪还包括：红外光源12，用于提供红外光，红外光经分束片8分成发生反射的反射红外光和发生透射的透射红外光，反射红外光经定镜反射并沿原路返回至分束片，透射红外光经补偿片7补偿后，经动镜6反射并沿原路返回至分束片，返回至分束片8的透射红外光和反射红外光发生干涉，产生红外光干涉信号；以及气体检测模块，利用红外光干涉信号对待测气体浓度进行检测。

根据本发明的实施例，红外光和激光在传输时的路径并不相重合，具体而言，如图6所示，分束片8包括分束片过激光面24和分束片过红外光面25及分束片遮光面26。其中分束片过红外光面25用于对红外光进行反射和透射，其直径较大，因为红外光光点直径较大；分束片过激光面24用于对激光进行反射和透射；分束片遮光面用于防止激光打到金属件上，经金属件反射产生杂散光。

根据本发明的实施例，气体检测模块包括：离轴抛物面镜16，用于将干涉后的红外光进行汇聚；怀特池，用于盛放待检测的气体样品，同时吸收离轴抛物面镜汇聚后的红外光；以及检测器17，用于接收经怀特池吸收后的红外光，并将其放大后经控制电路板采集，变为数字信号。

在离轴抛物面镜16和检测器17之间，加入长光程怀特池。通过抽取怀特池中的空气，就可以检测低浓度的气体。本发明的检测器17还可替换为高灵敏度的检测器，在不加入怀特池的情况下，此时将红外光源12至于远端，就做成了开放光程的环境气体监测装置。

根据本发明的实施例，干涉模块还包括：音圈电机1，用于驱动动镜沿透射激光的方向运动。

根据本发明的实施例，动镜6进行往复运动的两端设有检零开关4，在动镜6到达检零开关4的位置时，音圈电机1带动动镜向相反方向运动。挡光片5用于给检零开关4挡光。动镜6由摆动结构3带动产生前后的往复移动，其中固定支点A31、摆动支点A32、固定支点B33、摆动指点B34是四个轴承支点，在音圈电机1的驱动下，动镜6绕固定支点A31和固定支点B33前后摆动移动，实现干涉扫描。由于动镜6移动的距离短，因此动镜6在竖直方向的变化很小。这种结构的优点为：结构简单易于加工装配调节，在摆动的两端有自然减速的效果，有利于控制动镜6的运动速度，使用四个轴承支点使动镜6前后移动平稳匀速。

根据本发明的实施例，分束片8和补偿片7采用挤压式的安装方式。在本发明中，为了能接收到更多的红外光，如图4所示，采用了大通光孔径的分束片8和补偿片7，但是分束片8和补偿片7直径较大，重量较重，给安装调试造成了困难。此外，分束片8和补偿片7的平行度，也直接影响到了红外光干涉质量。在分束片8和补偿片7的周围挤上弹性胶条19，分束片8和补偿片7之间有弹性胶垫A 20和弹性胶垫B21。分束片8先通过弹性胶条19固定在安装块A22上，补偿片7先通过弹性胶条19固定在安装块B23上，然后把安装块A22和安装块B23连接，在补偿片7和分束片8之间有弹性胶垫A20和弹性胶垫B21做挤压缓存，避免镜片破裂。安装块A22和安装块B23的平行度保证了分束片8和补偿片7之间的平行度。安装块A22和安装块B23通过加工容易做到。如图5A和图5B所示，弹性胶垫A20和弹性胶垫B21的形状不同，是因为弹性胶垫A20设置于分束片过激光面24的位置，通过的光为激光，激光光点较小。

根据本发明的实施例，激光源为氦氖激光器18，其结构如图3所示。

根据本发明的实施例，动镜6、分束片8和补偿片7的倾斜度均为不可调节的，定镜10的倾斜度为可调节的。为了得到较好的干涉光，本发明的傅立叶变换红外光谱仪中的动镜6，分束片8和补偿片7都不可调节，但是可以通过微调机构调节定镜10的倾斜度，最终得到较好的干涉峰。

根据本发明的实施例，还提供了一种利用上述傅立叶红外光谱仪进行气体浓度检测的方法，包括如下步骤：利用激光对傅立叶红外光谱仪进行调准，包括：将激光源产生的激光经棱镜反射到分束片8上，分成两束激光，一束经分束片8反射，一束经分束片8透射；经分束片8反射的激光，经四分之一波片9后，产生具有相位差的激光；具有相位差的激光，经定镜10反射到分束片8；经分束片8透射的激光经动镜6反射后和经定镜10反射的具有相位差的激光发生干涉，产生具有相位差的激光干涉信号；以及具有相位差的激光干涉信号，经分光棱镜14，分别被不同的光电管接收，通过对光电管产生的电信号进行分析，进而对傅立叶变换红外仪进行调整，使傅立叶变换红外仪处于理想目标状态。

根据本发明的实施例，在利用激光对傅立叶变换红外光谱仪进行调准之后，方法还包括如下步骤：利用红外光对待测气体浓度进行检测，包括：将红外光源产生的红外光投射到分束片8上，分成发生反射的反射红外光和发生透射的透射红外光；将反射红外光经定镜反射并沿原路返回到分束片8；将透射红外光经补偿片7补偿后，经动镜6反射并沿原路返回至分束片8；返回至所述分束片8的所述透射红外光和所述反射红外光发生干涉，产生红外光干涉信号；以及使所述红外光干涉信号经气体检测模块，对待测气体浓度进行检测。

如图8所示，为红外光源测试而采集到的红外干涉的数据，图9是图8中的干涉峰经过傅立叶变换后得到的红外光源在空气中的光谱数据，通过对图9进行分析，可以得出待测气体的浓度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种傅立叶变换红外光谱仪，包括：

激光源，用于提供激光；

干涉模块，用于使所述激光源发出的激光发生干涉，其中，所述干涉模块包括：

棱镜，用于折射所述激光源产生的激光；

分束片，用于将经所述棱镜折射后的激光分成发生反射的反射激光和发生透射的透射激光；

四分之一波片，用于使经所述分束片反射后的反射激光沿垂直于所述四分之一波片方向透过四分之一波片后产生具有相位差的寻常光和非寻常光；

定镜，用于对所述四分之一波片产生的具有相位差的所述寻常光和非寻常光进行反射并沿原路返回至所述分束片；

补偿片，用于对所述分束片透射的透射激光进行补偿；以及

动镜，用于将经所述补偿片补偿后的所述透射激光进行反射并沿原路返回至所述分束片，所述动镜沿所述透射激光的方向往复运动，以使返回至所述分束片的所述透射激光分别与所述寻常光和非寻常光产生光程差并发生干涉，产生具有相位差的第一激光干涉信号和第二激光干涉信号；以及

光电信息转换模块，包括：

分光棱镜，用于将产生的具有相位差的第一激光干涉信号和第二激光干涉信号分为两路；以及

两个光电管，用于分别接收具有相位差的第一激光干涉信号和第二激光干涉信号，并且将所述第一激光干涉信号和第二激光干涉信号转换成电信号。

2.如权利要求1所述的傅立叶变换红外光谱仪，其中，所述傅立叶变换红外光谱仪还包括：

红外光源，用于提供红外光，所述红外光经所述分束片分成发生反射的反射红外光和发生透射的透射红外光，所述反射红外光经所述定镜反射并沿原路返回至所述分束片，所述透射红外光经所述补偿片补偿后，经所述动镜反射并沿原路返回至所述分束片，返回至所述分束片的所述透射红外光和反射红外光发生干涉，产生红外光干涉信号；以及

气体检测模块，利用所述红外光干涉信号对待测气体浓度进行检测。

3.如权利要求1所述的傅立叶变换红外光谱仪，其中，所述气体检测模块包括：

离轴抛物面镜，用于将所述干涉后的红外光进行汇聚；

怀特池，用于盛放待检测的气体样品，同时吸收所述离轴抛物面镜汇聚后的红外光；以及

检测器，用于接收经怀特池吸收后的红外光，并将其放大后经控制电路板采集，变为数字信号。

4.如权利要求1所述的傅立叶变换红外光谱仪，其中，所述干涉模块还包括：

音圈电机，用于驱动所述动镜在沿所述透射激光的方向运动。

5.如权利要求1所述的傅立叶变换红外光谱仪，其中，所述动镜进行往复运动的两端设有检零开关。

6.如权利要求1所述的傅立叶变换红外光谱仪，其中，所述分束片和所述补偿片采用挤压式的安装方式。

7.如权利要求1所述的傅立叶变换红外光谱仪，其中，所述激光源为氦氖激光器。

8.如权利要求1所述的傅立叶变换红外光谱仪，其中，所述动镜、所述分束片和所述补偿片均为不可调节的，所述定镜为可调节的。

9.一种利用权利要求1-8中任一项所述的傅立叶变换红外光谱仪进行气体浓度检测的方法，包括如下步骤：

利用激光对所述傅立叶变换红外光谱仪进行调准，包括：

将激光源产生的激光经棱镜反射到分束片上，分成两束激光，一束经分束片反射，一束经分束片透射；

所述经分束片反射的激光，经四分之一波片后，产生具有相位差的激光；

所述具有相位差的激光，经定镜反射到所述分束片；

所述经分束片透射的激光经动镜反射后和所述经定镜反射的具有相位差的激光发生干涉，产生具有相位差的激光干涉信号；以及

所述具有相位差的激光干涉信号，经分光棱镜，分别被不同的光电管接收，通过对所述光电管产生的电信号进行分析，进而对所述傅立叶变换红外光谱仪进行调整，使所述傅立叶变换红外光谱仪处于理想目标状态。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述利用激光对所述傅立叶变换红外光谱仪进行调准之后，所述方法还包括如下步骤：

利用红外光对待测气体浓度进行检测，包括：

将红外光源产生的红外光投射到分束片上，分成发生反射的反射红外光和发生透射的透射红外光；

将所述反射红外光经定镜反射并沿原路返回到所述分束片；

将所述透射红外光经所述补偿片补偿后，经动镜反射并沿原路返回至所述分束片；

返回至所述分束片的所述透射红外光和所述反射红外光发生干涉，产生红外光干涉信号；以及

使所述红外光干涉信号经气体检测模块，对待测气体浓度进行检测。

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