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一种高分辨红外标准光谱测量装置及测量方法

阅读：1025发布：2020-09-17

专利汇可以提供一种高分辨红外标准光谱测量装置及测量方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种高分辨红外标准光谱测量装置及测量方法，其根据气体成分红外光谱吸收特性，确定各气体成分的特征信息(吸收波段、吸收峰、检测限和标准吸光度等)，可适用于不同浓度、不同温度的气体成分高分辨红外标准光谱测量，可用于傅里叶变换红外光谱技术在大气环境检测中的气体成分定量分析和定性识别，能满足红外光谱技术在气体检测中的具体应用需求。，下面是一种高分辨红外标准光谱测量装置及测量方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高分辨红外标准光谱测量装置，其特征在于，包括：红外光源(1)、第一抛物面镜(2)、分束片(3)、定镜(4)、动镜(5)、第一可旋转反射镜(6)、第一椭球面镜(7)、第二抛物面镜(8)、气体池入射红外窗片(9)、三块球面镜(10～12)、气体池出射红外窗片(13)、第三抛物面镜(14)、第二椭球面镜(15)、第二可旋转反射镜(16)、第三可旋转反射镜(17)、聚焦抛物面镜(18)、探测器(19)、计算机(24)及气体样品池(25)；其中：
红外光源(1)辐射的连续红外光波通过第一抛物面镜(2)反射后，达到分束片(3)；其中一部分光穿过所述分束片(3)到达动镜(5)，被动镜(5)反射后延原光路返回，再次到达分束片(3)，经分束片(3)反射；另一部分光被所述分束片(3)反射达到定镜(4)，被定镜(4)反射后延原光路返回，经分束片(3)透射；
所述经分束片(3)反射及经分束片(3)透射的光重新汇合，并在动镜(5)延直线运动的情况下产生干涉，干涉光经过第一可旋转反射镜(6)反射后，传播方向改变90度，并经过第一椭球面镜(7)反射，传播方向改变90度，再经过第二抛物面镜(8)反射后，穿过气体池入射红外窗片(9)进入气体样品池(25)，然后经过气体样品池(25)中的三块球面镜(10～12)连续多次反射后，穿过气体池出射红外窗片(13)射出，射出的光为记录了气体样品池中气体吸收信息的红外干涉光；
该红外干涉光经过抛物面镜(14)反射，达到第二椭球面镜(15)，经过第二椭球面镜(15)反射，传播方向改变90度，然后经过第二可旋转反射镜(16)反射，传播方向改变90度，再经过第三可旋转反射镜(17)反射，传播方向改变90度，到达聚焦抛物面镜(18)，经过反射聚焦后被探测器(19)接收并记录，计算机(24)从探测器(19)完成红外干涉信号的采集及处理；
计算机(24)采集到的红外干涉信号为记录了气体样品池中零气吸收信息的红外干涉信号，以及记录了气体样品池中目标气体吸收信息的红外干涉信号；
当计算机(24)采集到的上述干涉信号后，分别对上述干涉信号进行干涉信号至光谱图的转换，获得零气光谱与目标气体吸收光谱；
将目标气体吸收光谱除以零气光谱得到目标气体透过率谱τ，对目标气体透过率谱τ取负对数运算：A＝-lnτ，得到的目标气体吸光度谱A即为目标气体的红外标准光谱。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体样品池(25)采用光路多次反射怀特型结构，其外部设有玻璃密封罩(26)，其内部的三块球面镜(10～12)镀有红外金膜和保护膜，光谱范围2～14um，反射率＞90％，多次反射光程最长为5米，三块球面镜(10～12)中主球面镜(10)置于气体样品池(25)底部，副球面镜(11)与(12)置于气体样品池(25)顶部；
所述气体样品池(25)的底部还开了两个通光孔分别安装了气体池入射红外窗片(9)气体池出射红外窗片(13)；所述气体样品池(25)的顶部设置进出气孔，通过气管与标气配气系统(21)连接；玻璃密封罩(26)外还包裹有加热带，加热带内设置温度传感器与温控系统(20)连接。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述标气配气系统(21)分别与零气(22)和目标气体(23)相连，通过控制零气(22)和目标气体(23)的流量，实现不同浓度的目标气体浓度配制。
4.一种高分辨红外标准光谱测量方法，其特征在于，该方法通过权利要求1-3任一项所述的装置实现红外涉光信号的采集及处理，从而获得高分辨红外标准光谱；具体的：
计算机(24)采集到的红外干涉信号为记录了气体样品池中零气吸收信息的红外干涉信号，以及记录了气体样品池中目标气体吸收信息的红外干涉信号；
当计算机(24)采集到的上述干涉信号后，分别对上述干涉信号进行干涉信号至光谱图的转换，获得零气光谱与目标气体吸收光谱；
将目标气体吸收光谱除以零气光谱得到目标气体透过率谱τ，对目标气体透过率谱τ取负对数运算：A＝-lnτ，得到的目标气体吸光度谱A即为目标气体的红外标准光谱。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述干涉信号至光谱图的转换步骤包括：
将红外干涉信号进行Mertz 相位修正；
将原双边干涉信号补零到同要求频谱的数据长度，然后对干涉信号进行截断处理，采用的截断函数为矩形函数；
再对干涉信号进行非线性修正，最后进行傅里叶变换，完成干涉光信号到光谱图的转换。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，获取记录了气体样品池中零气吸收信息的红外干涉信号，以及记录了气体样品池中目标气体吸收信息的红外干涉信号的步骤包括：
将零气(22)通过标气配气系统(21)充入气体样品池(25)，并打开温控系统(20)，将气体样品池(25)的温度设置到预期目标温度，待气体池内气体温度稳定后，通过气体池入射红外窗片(9)进入气体样品池(25)，再通过气体池出射红外窗片(13)射出光为记录了气体样品池中零气吸收信息的红外干涉光，从而由计算机(24)采集到记录了气体样品池中零气吸收信息的红外干涉信号；
之后，将已知浓度的目标气体(23)充入通过标气配气系统(21)充入气体样品池(25)，并持续充入一段时间，待气体样品池(25)内的零气全部排出且气体样品池(25)内气体温度稳定后，通过气体池入射红外窗片(9)进入气体样品池(25)，再通过气体池出射红外窗片(13)射出光为记录了气体样品池中目标气体吸收信息的红外干涉光，从而由计算机(24)采集到记录了气体样品池中目标气体吸收信息的红外干涉信号。

说明书全文

一种高分辨红外标准光谱测量装置及测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及大气环境检测技术及光学领域，尤其涉及一种高分辨红外标准光谱测量方法及装置。

背景技术

[0002] 红外光谱分析可用于研究分子的结构和化学键，具有高度特征性，可以采用与标准化合物的红外光谱对比的方法来做分析鉴定，利用化学键的特征波数来鉴别化合物的类型，并可用于定量测定，综合运用了现代计算机技术、数理统计以及化学计量学等多个学科的最新研究成果，并使之融为一体，以其独有的特点在很多领域，如环境、农业、石油、食品、生物化工、制药及医学等得到了广泛应用，在产品质量分析、在线检测以及工艺控制等方面也获得较大成功。

[0003] 气体成分红外标准光谱是傅立叶变换红外(FTIR)光谱技术进行气体分析相关应用的基础，为气体成分浓度反演和未知成分的定性识别算法提供必要光谱信息。目前常用的可用于定性和定量分析的红外标准数据库主要包括三种：HITRAN数据库、NIST数据库和QAsoft数据库。HITRAN数据库提供了大气中存在的三十多种分子的谱线信息，NIST数据库提供了21种大气化合物分子的吸光度信息，QAsoft数据库共提供了310种大气化合物分子谱线信息。这些数据库的光谱数据种类能够满足常见气体分析需求，光谱数据存在一定误差，但是对于一些不在数据库内的气体成分，在进行分析之前，必须测量得到其标准光谱信息。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种高分辨红外标准光谱测量方法及装置，能够实现不同浓度、不同温度的气体成分高分辨红外标准光谱测量，从而满足红外光谱技术在气体检测中的具体应用需求。

[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0006] 一种高分辨红外标准光谱测量装置，包括：红外光源1、第一抛物面镜2、分束片3、定镜4、动镜5、第一可旋转反射镜6、第一椭球面镜7、第二抛物面镜8、气体池入射红外窗片9、三块球面镜10～12、气体池出射红外窗片13、第三抛物面镜14、第二椭球面镜15、第二可旋转反射镜16、第三可旋转反射镜17、聚焦抛物面镜18、探测器19、计算机24及气体样品池
25；其中：

[0007] 红外光源1 辐射的连续红外光波通过第一抛物面镜2反射后，达到分束片3；其中一部分光穿过所述分束片3到达动镜5，被动镜5反射后延原光路返回，再次到达分束片3，经分束片3反射；另一部分光被所述分束片3反射达到定镜4，被定镜4反射后延原光路返回，经分束片3透射；

[0008] 所述经分束片3反射及经分束片3透射的光重新汇合，并在动镜5延直线运动的情况下产生干涉，干涉光经过第一可旋转反射镜6反射后，传播方向改变90度，并经过第一椭球面镜7反射，传播方向改变90度，再经过第二抛物面镜8反射后，穿过气体池入射红外窗片9进入气体样品池25，然后经过气体样品池25中的三块球面镜10～12连续多次反射后，穿过气体池出射红外窗片13射出，射出的光为记录了气体样品池中气体吸收信息的红外干涉光；

[0009] 该红外干涉光经过抛物面镜14反射，达到第二椭球面镜15，经过第二椭球面镜15反射，传播方向改变90度，然后经过第二可旋转反射镜16反射，传播方向改变90度，再经过第三可旋转反射镜17反射，传播方向改变90度，到达聚焦抛物面镜18，经过反射聚焦后被探测器19接收并记录，计算机24从探测器19完成红外干涉信号的采集及处理。

[0010] 所述气体样品池25采用光路多次反射怀特型结构，其外部设有玻璃密封罩26，其内部的三块球面镜10～12 镀有红外金膜和保护膜，光谱范围2～14um，反射率＞90％，多次反射光程最长为5米，三块球面镜10～12中主球面镜10置于气体样品池25底部，副球面镜11与12置于气体样品池25顶部；

[0011] 所述气体样品池25的底部还开了两个通光孔分别安装了气体池入射红外窗片9气体池出射红外窗片13；所述气体样品池25的顶部设置进出气孔，通过气管与标气配气系统21连接；玻璃密封罩26外还包裹有加热带，加热带内设置温度传感器与温控系统20连接。

[0012] 所述标气配气系统21分别与零气22和目标气体23相连，通过控制零气22和目标气体23的流量，实现不同浓度的目标气体浓度配制。

[0013] 一种高分辨红外标准光谱测量方法，该方法通过前述的装置实现红外涉光信号的采集及处理，从而获得高分辨红外标准光谱；具体的：

[0014] 计算机24采集到的红外干涉信号为记录了气体样品池中零气吸收信息的红外干涉信号，以及记录了气体样品池中目标气体吸收信息的红外干涉信号；

[0015] 当计算机24采集到的上述干涉信号后，分别对上述干涉信号进行干涉信号至光谱图的转换，获得零气光谱与目标气体吸收光谱；

[0016] 将目标气体吸收光谱除以零气光谱得到目标气体透过率谱τ，对目标气体透过率谱τ取负对数运算：A＝-lnτ，得到的目标气体吸光度谱A即为目标气体的红外标准光谱。

[0017] 所述干涉信号至光谱图的转换步骤包括：

[0018] 将红外干涉信号进行Mertz 相位修正；

[0019] 将原双边干涉信号补零到同要求频谱的数据长度，然后对干涉信号进行截断处理，采用的截断函数为矩形函数；

[0020] 再对干涉信号进行非线性修正，最后进行傅里叶变换，完成干涉光信号到光谱图的转换。

[0021] 获取记录了气体样品池中零气吸收信息的红外干涉信号，以及记录了气体样品池中目标气体吸收信息的红外干涉信号的步骤包括：

[0022] 将零气22通过标气配气系统21充入气体样品池25，并打开温控系统20，将气体样品池25的温度设置到预期目标温度，待气体池内气体温度稳定后，通过气体池入射红外窗片9进入气体样品池25，再通过气体池出射红外窗片13射出光为记录了气体样品池中零气吸收信息的红外干涉光，从而由计算机24采集到记录了气体样品池中零气吸收信息的红外干涉信号；

[0023] 之后，将已知浓度的目标气体23充入通过标气配气系统21充入气体样品池25，并持续充入一段时间，待气体样品池25内的零气全部排出且气体样品池25内气体温度稳定后，通过气体池入射红外窗片9进入气体样品池25，再通过气体池出射红外窗片13射出光为记录了气体样品池中目标气体吸收信息的红外干涉光，从而由计算机24采集到记录了气体样品池中目标气体吸收信息的红外干涉信号。

[0024] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，其根据气体成分红外光谱吸收特性，确定各气体成分的特征信息(吸收波段、吸收峰、检测限和标准吸光度等)，可适用于不同浓度、不同温度的气体成分高分辨红外标准光谱测量，可用于傅里叶变换红外光谱技术在大气环境检测中的气体成分定量分析和定性识别，能满足红外光谱技术在气体检测中的具体应用需求。附图说明

[0025] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

[0026] 图1为本发明实施例提供的一种高分辨红外标准光谱测量装置的结构示意图。

具体实施方式

[0027] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

[0028] 本发明实施例提供一种高分辨红外标准光谱测量装置，其结构示意图如图1所示，主要包括：红外光源1、第一抛物面镜2、分束片3、定镜4、动镜5、第一可旋转反射镜6、第一椭球面镜7、第二抛物面镜8、气体池入射红外窗片9、三块球面镜10～12、气体池出射红外窗片13、第三抛物面镜14、第二椭球面镜15、第二可旋转反射镜16、第三可旋转反射镜17、聚焦抛物面镜18、探测器19、计算机24及气体样品池25；其中：

[0029] 红外光源1辐射的连续红外光波通过第一抛物面镜2反射后，达到分束片3；其中一部分光穿过所述分束片3到达动镜5，被动镜5反射后延原光路返回，再次到达分束片3，经分束片3反射；另一部分光被所述分束片3反射达到定镜4，被定镜4反射后延原光路返回，经分束片3透射；

[0030] 所述经分束片3反射及经分束片3透射的光重新汇合，并在动镜5延直线运动的情况下产生干涉，干涉光经过第一可旋转反射镜6反射后，传播方向改变90度，并经过第一椭球面镜7反射，传播方向改变90度，再经过第二抛物面镜8反射后，穿过气体池入射红外窗片9进入气体样品池25，然后经过气体样品池25中的三块球面镜10～12连续多次反射后，穿过气体池出射红外窗片13射出，射出的光为记录了气体样品池中气体吸收信息的红外干涉光；

[0031] 该红外干涉光经过抛物面镜14反射，达到第二椭球面镜15，经过第二椭球面镜15反射，传播方向改变90度，然后经过第二可旋转反射镜16反射，传播方向改变90度，再经过第三可旋转反射镜17反射，传播方向改变90度，到达聚焦抛物面镜18，经过反射聚焦后被探测器19接收并记录，计算机24从探测器19完成红外干涉信号的采集及处理。

[0032] 所述的气体样品池25采用光路多次反射怀特型结构，其外部设有玻璃密封罩26，其内部的三块球面镜10～12镀有红外金膜和保护膜，光谱范围2～14um，反射率＞90％，多次反射光程最长为5米，三块球面镜10～12中主球面镜11置于气体样品池25底部，副球面镜10与12置于气体样品池25顶部；

[0033] 所述气体样品池25的底部还开了两个通光孔分别安装了气体池入射红外窗片9气体池出射红外窗片13；所述气体样品池25的顶部设置进出气孔，通过气管与标气配气系统21连接；玻璃密封罩26外还包裹有加热带，加热带内设置温度传感器与温控系统20连接。

[0034] 所述标气配气系统21主要由两个流量分别为5L/min和50mL/min的气体流量控制器、不锈钢管、混合器、单向阀、机箱和控制软件组成，其分别与零气22和目标气体23相连，通过控制零气22和目标气体23的流量，实现不同浓度的目标气体浓度配制。

[0035] 本发明实施例还提供一种高分辨红外标准光谱测量方法，该方法通过前述的装置实现红外涉光信号的采集及处理，从而获得高分辨红外标准光谱；具体的：

[0036] 计算机24采集到的红外干涉信号为记录了气体样品池中零气吸收信息的红外干涉信号，以及记录了气体样品池中目标气体吸收信息的红外干涉信号；

[0037] 当计算机24采集到的上述干涉信号后，分别对上述干涉信号进行干涉信号至光谱图的转换，获得零气光谱与目标气体吸收光谱；

[0038] 将目标气体吸收光谱除以零气光谱得到目标气体透过率谱τ，对目标气体透过率谱τ取负对数运算：A＝-lnτ，得到的目标气体吸光度谱A即为目标气体的红外标准光谱。

[0039] 其中，所述干涉信号至光谱图的转换步骤包括：

[0040] 将红外干涉信号进行Mertz相位修正；

[0041] 将原双边干涉信号补零到同要求频谱的数据长度，然后对干涉信号进行截断处理，采用的截断函数为矩形函数；

[0042] 再对干涉信号进行非线性修正，最后进行傅里叶变换，完成干涉光信号到光谱图的转换。

[0043] 其中，获取记录了气体样品池中零气吸收信息的红外干涉信号，以及记录了气体样品池中目标气体吸收信息的红外干涉信号的步骤包括：

[0044] 将零气22通过标气配气系统21充入气体样品池25，并打开温控系统20，将气体样品池25的温度设置到预期目标温度，待气体池内气体温度稳定后；红外光源1辐射的连续红外光波，按照图1所示的结构，经由第一抛物面镜2、分束片3、定镜4、动镜5、第一可旋转反射镜6、第一椭球面镜7、第二抛物面镜8处理后，通过气体池入射红外窗片9进入气体样品池25，再通过气体池出射红外窗片13射出光为记录了气体样品池中零气吸收信息的红外干涉光，此时的红外干涉光再按照图1所示的结构，经由第二椭球面镜15、第二可旋转反射镜16、第三可旋转反射镜17、聚焦抛物面镜18、探测器19处理后，由计算机24采集到记录了气体样品池中零气吸收信息的红外干涉信号；

[0045] 之后，将已知浓度的目标气体23充入通过标气配气系统21充入气体样品池25，并持续充入一段时间，待气体样品池25内的零气全部排出(可通过副球面镜10上方的排气孔排出)且气体样品池25内气体温度稳定后，通过气体池入射红外窗片9进入气体样品池25，再通过气体池出射红外窗片13射出光为记录了气体样品池中目标气体吸收信息的红外干涉光，从而由计算机24采集到记录了气体样品池中目标气体吸收信息的红外干涉信号；光路传播过程与上一段内容类似。

[0046] 需要说明的是，该方法是基于前述装置来实现，因此计算机24采集红外干涉信号的具体过程可参见前述实施例中的描述，此处不再赘述。

[0047] 本发明实施例上述方案根据气体成分红外光谱吸收特性，确定各气体成分的特征信息(吸收波段、吸收峰、检测限和标准吸光度等)，可适用于不同浓度、不同温度的气体成分高分辨红外标准光谱测量，可用于傅里叶变换红外光谱技术在大气环境检测中的气体成分定量分析和定性识别，能满足红外光谱技术在气体检测中的具体应用需求。

[0048] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

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一种高分辨红外标准光谱测量装置及测量方法

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