一种基于罗兰光栅的发动机排放气体分析仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于罗兰光栅的发动机排放气体分析仪，本发明涉及光谱分析仪器技术领域。本发明中根据排放气体对中红外光的特征吸收谱峰进行排放气体的检测。在该发动机排放气体分析仪中，利用了罗兰光栅既能分光又能成像的特点，其结构简单、紧凑；相比存在移动元件的傅里叶变换红外光谱仪，具有固化设计的优势，提高了检测的稳定性。本发明仅对排放气体的数个特征吸收谱峰进行多点探测，相比采用阵列式探测器的检测仪器，有效地降低了成本。本发明设计的发动机排放气体分析仪，可以实现对发动机排放气体的快速、准确的检测。
【专利说明】
一种基于罗兰光栅的发动机排放气体分析仪
技术领域
[0001] 本发明涉及光谱分析仪器技术领域，尤其涉及一种基于罗兰光栅的发动机排放气 体分析仪。
【背景技术】
[0002] 发动机尾气排放分析仪是在发动机正常运转时，对排放的尾气进行检测、分析，从 而判断汽车发动机是否工作正常、排出有害气体是否超标的一种仪器，是控制尾气排放污 染的有效工具。汽车发动机排放的尾气主要有〇)、〇) 2、繼、仏0、1€13以及碳氢化合物等，常见 的发动机尾气排放分析仪有非分光红外吸收法、电化学法、氢火焰离子化法、化学发光法 等，并且现有技术存在着分辨率低、检测速度慢、价格昂贵、不能实现多种气体的同时检测 等缺点。
【发明内容】
[0003] 本发明提供了一种基于罗兰光栅的发动机排放气体分析仪，本发明通过对排放气 体在中红外波段的数个特征吸收谱峰进行多点探测，实现对排放气体的成分及其含量检 测;本发明利用罗兰光栅既能分光又能成像的特点，具有简单、紧凑的结构，同时，采用固化 设计，具有较高的稳定性，详见下文描述：
[0004] -种基于罗兰光栅的发动机排放气体分析仪，包括:光源、抛物面反射镜、气体池、 抛物面反射镜、圆柱形遮光板、入射狭缝、罗兰光栅、出射狭缝、和探测器，
[0005] 所述光源、所述第一抛物面反射镜、所述气体池、所述第二抛物面反射镜组成采样 模块;所述圆柱形遮光板、所述入射狭缝、所述罗兰光栅、所述出射狭缝和所述探测器组成 分光检测模块；
[0006] 所述光源用于产生覆盖中红外波段的发射光束，所述第一抛物面反射镜将所述光 源发出的光束准直，并使其垂直入射到所述气体池处;所述气体池中放置待测发动机排放 气体样品；
[0007] 其中，所述圆柱形遮光板用于遮光，其上开有所述入射狭缝和所述出射狭缝，所述 罗兰光栅放置在所述圆柱形遮光板的内侧；
[0008] 所述第二抛物面反射镜收集中红外透射光束，并会聚到所述圆柱形遮光板上的入 射狭缝处;所述罗兰光栅对通过所述入射狭缝进入的中红外光束色散分光，并将不同波长 的中红外光束会聚到所述圆柱形遮光板上的不同位置；
[0009] 待测的不同波段的中红外光束由所述出射狭缝出射，所述出射狭缝的宽度根据待 测中红外光束的波段宽度进行设置;所述探测器用于探测通过所述出射狭缝出射的中红外 光束的强度。
[0010]其中，所述出射狭缝与所述探测器为一一对应的关系，可根据排放气体的特征吸 收谱峰的数量进行增减。
[0011]其中，所述光源使用金属陶瓷光源。
[0012] 本发明提供的技术方案的有益效果是:本发明根据排放气体对中红外光的特征吸 收谱峰进行排放气体的成分及其含量检测；通过罗兰光栅的使用，使得结构更加简单、紧 凑;通过固化设计，具有较高的稳定性;通过多点探测的方式，有效地降低了成本。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明提出的一种基于罗兰光栅的发动机排放气体分析仪的结构示意图；
[0014] 图2为分光检测模块的具体结构示意图。
[0015] 附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0016] 1:光源； 2:第一抛物面反射镜；
[0017] 3:气体池； 4:第二抛物面反射镜；
[0018] 5:圆柱形遮光板；6:入射狭缝；
[0019] 7:罗兰光栅； 8:出射狭缝；
[0020] 9:探测器。
[0021] 其中，采样模块是由光源1、第一抛物面反射镜2、气体池3、第二抛物面反射镜4组 成。两个抛物面反射镜的区别在于:第一抛物面反射镜2是将光源1发出的光束准直，形成平 行光;第二抛物面反射镜4是会聚透过气体池3的中红外光束。分光检测模块是由圆柱形遮 光板5、入射狭缝6、罗兰光栅7、出射狭缝8和探测器9组成。其中，出射狭缝8与探测器9为一 一对应的关系，数量一致，可以根据排放气体的特征吸收谱峰的数量进行增减。
【具体实施方式】
[0022]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步 地详细描述。
[0023]中红外光谱是分子对中红外光的吸收光谱。中红外波段的波长范围为2.5μπι~25μ m，由于基频振动是吸收最强的振动，所以主要表现为分子的基频振动光谱。不同的分子由 于结构的特异性而具有不同的中红外吸收光谱，其特征吸收谱峰的波长、强度和数量等均 不相同。因此，根据其光谱，就可以确定该物质是否存在;根据其吸收峰强度，依据朗伯-比 尔定律，便可测量其含量，从而实现物质的定性、定量分析。
[0024]罗兰光栅是在球面上刻化一系列刻痕的反射式衍射光栅，又称凹面光栅，它既是 色散分光元件又是聚光元件，具有常见的平面光栅的衍射功能，又具有凹面反射镜的会聚 成像功能，因此省去了准直透镜和成像透镜，从而简化了结构。如果将光源发射光束的入射 狭缝与罗兰光栅放置在同一个圆上，这个圆的直径与光栅所在球面的曲率半径相等，一般 把该圆称为罗兰圆。在罗兰圆结构中，入射狭缝与其经光栅所成的像均在罗兰圆上。罗兰光 栅的使用可以减少光的吸收衰减情况，只存在一次反射的光损失，因此罗兰光栅在光谱分 析、光通信等领域有着广泛的应用。
[0025] 实施例1
[0026]参见图1和图2,一种基于罗兰光栅的发动机排放气体分析仪，包括:光源1、抛物面 反射镜2、气体池 3、抛物面反射镜4、圆柱形遮光板5、入射狭缝6、罗兰光栅7、出射狭缝8、探 测器9。
[0027]其中，光源1、第一抛物面反射镜2、气体池3、第二抛物面反射镜4组成采样模块。圆 柱形遮光板5、入射狭缝6、罗兰光栅7、出射狭缝8和探测器9组成分光检测模块。
[0028] 两个抛物面反射镜的区别在于：第一抛物面反射镜2用于将光源1发出的光束准 直，形成平行光;第二抛物面反射镜4用于会聚透过气体池3的中红外光束。
[0029] 光源1用于产生覆盖中红外波段的发射光束，第一抛物面反射镜2将光源1发出的 光束准直，并使其垂直入射到气体池3处;气体池3中放置待测发动机排放气体样品。
[0030] 其中，圆柱形遮光板5用于遮光，其上开有入射狭缝6和出射狭缝8，罗兰光栅7放置 在圆柱形遮光板5的内侧。
[0031] 第二抛物面反射镜4收集中红外透射光束，并会聚到圆柱形遮光板5上的入射狭缝 6处。罗兰光栅7对通过入射狭缝6进入的中红外光束色散分光，并将不同波长的中红外光束 会聚到圆柱形遮光板5上的不同位置。
[0032 ]待测的不同波段的中红外光束由出射狭缝8出射，出射狭缝8的宽度根据待测中红 外光束的波段宽度进行设置。探测器9用于探测通过出射狭缝8出射的中红外光束的强度。
[0033] 其中，出射狭缝8与探测器9为一一对应的关系，数量一致，可以根据排放气体的特 征吸收谱峰的数量进行增减。
[0034] 综上所述，本发明根据排放气体对中红外光的特征吸收谱峰进行排放气体的成分 及其含量检测;通过罗兰光栅的使用，使得结构更加简单、紧凑;通过固化设计，具有较高的 稳定性;通过多点探测的方式，有效地降低了成本。
[0035] 实施例2
[0036] 下面结合图1、图2对实施例1中的方案进行详细的介绍，详见下文描述：
[0037] -种基于罗兰光栅的发动机排放气体分析仪，其设计结构包括:光源1、第一抛物 面反射镜2、气体池 3、第二抛物面反射镜4、圆柱形遮光板5、入射狭缝6、罗兰光栅7、出射狭 缝8和探测器9。根据待测气体中红外光谱中的特征吸收谱峰即可实现对尾气中气体的成分 组成和含量的检测。
[0038] 其中，光源1可以使用金属陶瓷光源，通过加热产生中红外光束;入射到第一抛物 面反射镜2,经反射镜准直后形成平行光束;平行光进入气体池3后，中红外光被样品气体特 征性地吸收，出射光束经过第二抛物面反射镜4会聚到圆柱形遮光板5上的入射狭缝6处，入 射光束经过紧贴在圆柱形遮光板5内侧的罗兰光栅7分光和会聚作用后，按波长的不同，通 过设置在不同位置出射狭缝8后，被对应的探测器9探测到强度信息。
[0039] 出射狭缝8的宽度可以根据待测中红外光束的波段宽度进行设置，高度与入射狭 缝6相同。探测器9紧贴出射狭缝8,可以采用DTGS检测器，检测不同气体成分的中红外特征 吸收谱峰，根据特征吸收峰谱线，对发动机排放气体进行分析。
[0040] 具体实现时，光源1使用金属陶瓷棒，加热发出中红外光束。中红外光束入射到气 体池 3,气体池 3中的排放气体对中红外光进行吸收，排放气体中存在着C0、C02、N0、N20、NH 3、 以及碳氢化合物等，中红外光被样品气体特征性地吸收，不同气体的中红外特征吸收谱峰 分布在不同的波长位置，其具体分布情况如表1所不。
[0041 ]表1排放气体中各成分中红外光谱的吸收谱峰分布情况
[0042]
[0043] 根据表1所示的排放气体中各成分中红外吸收光谱的吸收谱峰分布情况可知，C0、 〇)2、勵、他0、順3以及碳氢化合物这六种气体具有不同的特征吸收谱峰。
[0044] 从表1中可以看出，？12、？22、？31、？43、？53、？61这六个特征吸收谱峰的波长位置间隔明 显，其对应的检测位置在空间上容易分离，可以通过设置出射狭缝的宽度来得到单一的特 征吸收谱峰，具体可以设置从狭缝出射的光谱范围分别为4710nm~4730nm、14910nm~ 14930nm、5450nm~5470nm、16880nm~16900nm、10720nm~10740nm、3225nm~3330nm。
[0045] 通过检测出射光束的强度^、^、^、。、^、^从而可以测出⑶~⑶^勵^⑷^出以及 碳氢化合物的吸光度41、42、43、44、45、六6，由吸光度得出这六种气体的浓度(31、〇2、〇3、〇4、〇5、 C 6,其中以、1(2、1(3、1(4、1(5、1( 6为校准系数，可以通过标准样品的检测获取，由于碳氢化合物是 一类气体的混合物，因此这里的κ6取这类气体的平均值。
[0046] Ci = KiAi(i = l，2,3,4,5,6,7,8)
[0047] 综上所述，本发明根据排放气体对中红外光的特征吸收谱峰进行排放气体的成分 及其含量检测;通过罗兰光栅的使用，使得结构更加简单、紧凑;通过固化设计，具有较高的 稳定性;通过多点探测的方式，有效地降低了成本。
[0048] 本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制， 只要能完成上述功能的器件均可。
[0049] 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例 序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0050] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于罗兰光栅的发动机排放气体分析仪，包括:光源、抛物面反射镜、气体池、抛 物面反射镜、圆柱形遮光板、入射狭缝、罗兰光栅、出射狭缝、和探测器，其特征在于， 所述光源、所述第一抛物面反射镜、所述气体池、所述第二抛物面反射镜组成采样模 块;所述圆柱形遮光板、所述入射狭缝、所述罗兰光栅、所述出射狭缝和所述探测器组成分 光检测模块； 所述光源用于产生覆盖中红外波段的发射光束，所述第一抛物面反射镜将所述光源发 出的光束准直，并使其垂直入射到所述气体池处;所述气体池中放置待测发动机排放气体 样品； 其中，所述圆柱形遮光板用于遮光，其上开有所述入射狭缝和所述出射狭缝，所述罗兰 光栅放置在所述圆柱形遮光板的内侧； 所述第二抛物面反射镜收集中红外透射光束，并会聚到所述圆柱形遮光板上的入射狭 缝处;所述罗兰光栅对通过所述入射狭缝进入的中红外光束色散分光，并将不同波长的中 红外光束会聚到所述圆柱形遮光板上的不同位置； 待测的不同波段的中红外光束由所述出射狭缝出射，所述出射狭缝的宽度根据待测中 红外光束的波段宽度进行设置;所述探测器用于探测通过所述出射狭缝出射的中红外光束 的强度。2. 根据权利要求1所述的一种基于罗兰光栅的发动机排放气体分析仪，其特征在于，所 述出射狭缝与所述探测器为一一对应的关系，可根据排放气体的特征吸收谱峰的数量进行 增减。3. 根据权利要求1所述的一种基于罗兰光栅的发动机排放气体分析仪，其特征在于，所 述光源使用金属陶瓷光源。
【文档编号】G01N21/3504GK106018315SQ201610325751
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】李奇峰, 王婧, 王慧捷, 国宏伟, 马翔云
【申请人】天津大学