一种用于光谱气体分析仪的消干涉方法
【专利说明】一种用于光谱气体分析仪的消干涉方法
[0001] (一）技术领域 本发明涉及光谱分析仪，具体涉及一种用于光谱气体分析仪的消干涉方法。
[0002] (二）【背景技术】 在基于光谱技术的气体分析仪里，当采样气室中的样品无光谱结构时，所采集的谱线 称之为"光谱基线"。理想的光谱基线应该是一条没有偏置的没有结构的"零线"。然而，实 际的仪器由于种种原因，在光谱基线上除了有各种内禀的噪声之外，还会有各种结构如周 期性结构、偏置、倾斜。内禀的噪声可以通过成熟的方案如多次平均、滤波等技术大大降低 其影响。但是各种结构均有其物理源，通过噪声处理方案之后，这些结构就会变得更加明 显。造成这些结构的物理源可能是多种多样的，如半导体二极管激光器的构造设计安装、采 样气室随温度变化的机械稳定性、光学部件的光学性能(衍射干涉)、电子线路的自激震荡、 对外来干扰源的过滤性能等。这些结构的存在严重影响分析仪的最小探测极限、探测灵敏 度、分析仪的分辨率和动态范围。
[0003] 电子技术分析并解决电子线路的自激震荡、对外来干扰源如电源的过滤性能提高 也是广为人知的成熟方案，可以进一步降低基线的信号幅度，提高分析仪性能。由光源半导 体二极管激光器的构造设计是受制造工艺的限制，目前本类分析仪均采用当今国际最先进 的欧美制造商，提高的空间受限制，主动权不在分析仪生产商手里。本专利申请一种技术方 案，可应用在基于光谱技术的气体分析仪里，通过新型的光学设计，降低由于干涉所造成的 基线结构幅度，提高它的机械稳定性，提高对温度变化和机械振动的抗干扰性能。
[0004] 基于激光的调制吸收光谱技术的分析仪通常会用到如下的光学部件如透镜、高反 端镜和透射窗口或参考气室等。这些部件会根据具体激光光源的波段镀有增透膜或增反 膜，提高了光的利用效率，降低了杂散光的产生，降低了可能产生的干涉信号的强度。普遍 常见的干涉条纹产生是由两束相干光源在空间的叠加，在成像面的不同位置有不同的相位 差，从而形成明暗相间的空间分布的干涉条纹。而光谱基线的信号是经过聚焦透镜汇聚在 探测器表面的，经光电转换而形成的光电流信。光斑的大小比探测器的尺寸小很多，即使有 空间的干涉条纹，也会被综合平均到光电流信号中，而不会被分辨出来。光谱基线的周期性 结构问题一直困扰着业界的研宄人员。现经过系列的实验设计研宄光谱基线的周期性结 构，提出了光干涉理论模型，很好的解释了周期性结构的一系列现象，验证了几个因素的物 理关联关系。
[0005] 出现在光谱基线上的周期性结构仍然是由两个平行表面的相干光干涉所形成的。 当相干光经过平行表面时，一级透射光和经过两个表面反射的二级透射光具有相同的传播 方向，二者的传播路径重合或部分重合，二者有固定的光程差。对于固定波长的相干光源， 固定的光程差对应固定的相位差。当相位差为180度时，二者产生相消干涉，对应的光信号 变暗，转换的光电流弱。当相位差为0 (或360)度时，二者产生相长干涉，对应的光信号变 强，转换的光电流大。光谱仪扫描时，波长连续变化，同样的光程差对应不同的相位差，从而 在光信号的直流部分叠加了干涉的周期性结构。基于激光的调制吸收光谱技术，采用二倍 频解调，过滤出其直流信号部分，具有很高的灵敏度，在测量痕量气体含量的应用方面很有 优势。基于同样的高灵敏度原因，基线的周期性结构尽管很弱，也会被检测到，对于进一步 提高分析仪的灵敏度和探测低限形成了障碍。一般的厚度d为l-2mm，在整个扫描内范围 内只出现一个周期或者一个周期的局部结构。因为光多次穿过同一光学窗口或多个光学窗 口，会出现多个不同强度的干涉源叠加情况，不会方便地辨别出来其光干涉的本质，常常被 误认为别的因素导致，花费大量的精力研宄。随着温度的变化，光谱基线还会左右移动，对 目标分析物的光谱干扰，影响测量精度。图1给出了一个具体的展示，当各种因素特定配置 时，在光谱基线上和满量程的信号光谱上，均会出现光干涉的周期性结构。
[0006] (三）
【发明内容】
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种用于光谱气体分析仪的消干涉方法，该 方法操作简单、效果好。
[0007] 本发明是通过如下技术方案实现的： 一种用于光谱气体分析仪的消干涉方法，其特殊之处在于：包括以下步骤的至少一 种： (1) 破除光学部件表面的平行性，同时维持入射光和透射光的同向性； (2) 光学部件外设置增透膜，通过加强增透膜的透射率，进一步降低光学窗口的反射 率； (3) 降低光源的相干性； (4) 增加一级透射光和二级透射光的空间分离，减少空间重合； (5) 改变具有平行表面的光学部件的厚度d; (6) 破坏表面的平滑度。
[0008] 一种用于光谱气体分析仪的消干涉方法中的光学部件，光学部件的两个外表面对 应的倾斜角相同。
[0009] 本发明的用于光谱气体分析仪的消干涉方法的光学部件，光学部件包括上楔形、 下楔形及中间标准的平行面的窗口。
[0010] 本发明的用于光谱气体分析仪的消干涉方法的光学部件，光学部件包括两个相同 的楔形窗口。
[0011] 本发明的用于光谱气体分析仪的消干涉方法的光学部件，光学部件的外表面与侧 面并不正交。
[0012] 本发明的有益效果：本发明所述方法可应用在基于光谱技术的气体分析仪里，通 过新型的光学设计，降低由于干涉所造成的基线结构幅度，提高它的机械稳定性，提高对温 度变化和机械振动的抗干扰性能。
[0013] (四）【附图说明】 附图1为一出现在光谱基线和满量程的信号光谱上个典型的干涉性周期