开路式气体浓度分析方法及装置与流程

本发明涉及气体浓度分析技术领域，尤其是涉及一种开路式气体浓度分析方法及装置。

背景技术：

基于朗伯-比尔定律的光学吸收法是气体检测的基本方法之一，基于朗伯-比尔定律所进行的连续吸收光谱气体检测具有抗干扰能力强的特点，特别适合于复杂背景环境下的气体检测。其中，对于大气中气体浓度所进行的开路式连续吸收光谱气体检测，在环境质量监控方面具有广泛应用。

常用的对开路式连续吸收光谱气体进行检测的方法是采用棱镜色散型或光栅色散型光谱仪进行光谱采集，这两种类型的光谱仪均有一个光波的入射狭缝。狭缝越窄，光谱仪的光谱分辨率越高；但是，较窄的狭缝会造成光能量的下降，从而使得光谱信噪比较低，难以满足微量气体的检测需求。传统气体浓度分析方法中，光谱分辨率与信噪比相互制约的技术问题影响了气体检测的精确度。

针对开路式气体浓度分析方法中，光谱分辨率与信噪比相互制约的技术问题，目前缺乏有效的解决方案。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种开路式气体浓度分析方法及装置，以缓解对开放环境中的密封的被测气体进行浓度分析的传统方法中，光谱分辨率与信噪比相互制约的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种开路式气体浓度分析装置，包括：光源、准直器、色散仪、测量仪，其中，

所述光源用于发出覆盖被测气体特征吸收光谱的光，其中，所述被测气体为所述开路式气体浓度分析装置所处环境中的气体；

所述准直器用于将所述光源发出的光准直后照射到所述被测气体；

所述色散仪用于对所述被测气体透过的光进行会聚和色散，以使不同波长的光的会聚点在目标方向上散布，其中，所述目标方向为光从所述色散仪出射后的传播方向；

所述测量仪用于通过在所述目标方向上的移动来接收不同的所述会聚点的光能，并根据所述会聚点的光能对所述被测气体的浓度进行分析。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述光源为点光源。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述色散仪为折射式的会聚透镜，所述会聚透镜使不同的所述会聚点按光波长在所述透镜的光轴方向依次分布。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述测量仪包括：光阑、位置控制器、光探测器和信号处理器，其中，

所述光阑的开孔位置设于所述透镜的光轴上，且所述位置控制器用于控制所述光阑在所述透镜的光轴方向移动，以使所述光阑移动到不同的所述会聚点处；

所述光探测器用于对透过所述光阑的光进行探测，并将探测到的光转化为电信号；

所述信号处理器和所述光探测器连接，用于接收所述光探测器转化的电信号，并根据所述电信号计算所述被测气体的浓度。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述光阑的开孔为在不透光材料上所开的圆孔。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述位置控制器为中空圆柱式的音圈电机，所述光阑安装在所述音圈电机的圆柱端面上，且所述光阑的开孔嵌设在所述音圈电机的中空部分。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述光探测器为单像元光电探测器。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述准直器包括折射式消色差准直镜或者全反射准直镜。

第二方面，本发明实施例还提供一种开路式气体浓度分析方法，包括：

准直步骤，将光源发出的光准直后照射到被测气体，其中，所述被测气体为所述开路式气体浓度分析装置所处环境中的气体，所述光源发出的光覆盖所述被测气体的特征吸收光谱；

色散步骤，对所述被测气体透过的光进行会聚和色散，以使不同波长的光的会聚点在目标方向上散布，其中，所述目标方向为光从色散仪出射后的传播方向；

测量步骤，接收目标方向上不同所述会聚点的光能，并根据所述会聚点的光能对所述被测气体的浓度进行分析。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，开路式气体浓度分析方法还包括：

构造步骤，用于通过单透镜或透镜组构造色散仪，所述色散仪用于对所述被测气体透过的光进行会聚和色散，以使得所述会聚点的间距满足预设间距值。

本发明实施例带来了以下有益效果：

该开路式气体浓度分析装置，包括：光源、准直器、色散仪、测量仪，其中，光源发出覆盖被测气体特征吸收光谱的光，被测气体为开路式气体浓度分析装置所处环境中的气体；准直器用于将光源发出的光准直后照射到被测气体；色散仪用于对被测气体透过的光进行会聚和色散，以使不同波长的光的会聚点在目标方向上散布，其中，目标方向为光从色散仪出射后的传播方向；测量仪用于通过在目标方向上的移动来接收不同的会聚点的光能，并根据会聚点的光能对被测气体的浓度进行分析。

首先，该开路式气体浓度分析装置将光源发出的光作为入射光，与传统色谱仪狭缝透射环境中的光相比，光源发出的光具有较大的光通量，有利于提高会聚点的光能量，从而提升微量气体检测的信噪比。其次，光源发出的光会向四面八方发散，准直器准直后照射到被测气体，使得色散仪能够将被测气体透过的光进行会聚，以通过会聚点仍然实现对被测气体的浓度进行分析的目的；且会聚点在目标方向上散布，目标方向为光从色散仪出射后的传播方向，测量仪通过在目标方向上的移动来接收不同的所述会聚点的光能，从而测量仪每次接收到的只是一个会聚点的光能，提升了对不同会聚点光能检测的精度，即，提升了光谱分辨率。因而，该开路式气体浓度分析装置缓解了传统气体浓度分析装置中，光谱分辨率与信噪比相互制约的技术问题，对于环境气体的精确检测具有重要意义。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种开路式气体浓度分析装置的结构框图；

图2为本发明实施例一提供的一种开路式气体浓度分析装置的光路图；

图3为本发明实施例一提供的一种色散仪的色散原理图；

图4为本发明实施例二提供的一种开路式气体浓度分析方法的流程图；

图5为本发明实施例二提供的另一种开路式气体浓度分析方法的流程图。

图标：1-光源；2-准直器；3-被测区域；4-色散仪；5-测量仪；51-光阑；52-位置控制器；53-光探测器；54-信号处理器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

对开路气体进行浓度分析的传统方法中，光谱分辨率与信噪比相互制约的技术问题影响了气体检测的精确度。基于此，本发明实施例提供的一种开路式气体浓度分析方法及装置，可以缓解传统气体浓度分析方法中，光谱分辨率与信噪比相互制约的技术问题。

实施例一

如图1到图4所示，本发明实施例提供了一种开路式气体浓度分析装置。

参照图1，该开路式气体浓度分析装置包括：光源1、准直器2、色散仪4、测量仪5，其中，

光源1用于发出覆盖被测气体特征吸收光谱的光，其中，被测气体为开路式气体浓度分析装置所处环境中的气体；

准直器2用于将光源1发出的光准直后照射到被测气体；

色散仪4用于对被测气体透过的光进行会聚和色散，以使不同波长的光的会聚点在目标方向上散布，其中，目标方向为光从色散仪4出射的方向；

测量仪5用于通过在目标方向上的移动来接收不同的会聚点的光能，并根据会聚点的光能对被测气体的浓度进行分析。

具体地，朗伯-比尔定律(beer-lambertlaw)给出a＝lg(1/t)＝kbc，其中，a为吸光度；t为透射比，是出射光强度与入射光强度的比值；k为摩尔吸收系数，k与吸光物质的性质及入射光的波长有关；c为吸光物质的浓度；b为吸光物质厚度。朗伯-比尔定律表明：当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度a与吸光物质的浓度c及吸光物质厚度b成正比，而透光度t与c、b成反比；而且，对于不同波长的光，在c、b取值相同的情况下，透光度t是不相同的。

因而，光源1发出的光照射到开放环境中的被测区域3后，被测区域3中不同气体吸收不同波长的光，基于光源1发出的光通过同一个被测区域3，即，不同吸光物质的吸收层厚度b相同，从而不同波长光的透光度t与相应吸光物质的浓度c成反比，进一步，色散仪4使不同波长的光会聚于目标方向上散布的不同会聚点后，测量仪5通过测量不同会聚点的光能，即可得出和会聚点相应波长光的吸光物质浓度c。

需要说明的是，光源1发出的光虽然具有较大的光通量，但是光会从四面八方出射，准直器2将光源1发出的光准直后照射到被测区域3，不仅使得光源1发出的光更加充分地被利用到照射被测区域3，也使得从被测区域3透射的光被会聚得以实现，继而通过会聚点仍然实现对被测气体的浓度进行分析的目的。

色散仪4对被测区域3透过的光进行会聚和色散，使不同波长的光的会聚点在目标方向上散布形成光谱，测量仪5通过在目标方向上的移动来接收不同会聚点的光能，在测量仪5移动到目标方向上一个会聚点所在位置时，则只接收当前会聚点的能量，从而提升对各个会聚点光能检测的精度，即，提升光谱分辨率。

该开路式气体浓度分析装置使用时，将该开路式气体浓度分析装置放到需要分析浓度的环境中，处于准直器2和色散仪4之间的区域为被测区域3，即可实现对被测区域3中被测气体浓度所进行的分析。由于被测区域3是一个开放的区域，尤其在被测区域3中气体流动的情况下，该开路式气体浓度分析装置更利于对环境气体浓度进行全面实时的检测。

在本发明实施例中，首先，该开路式气体浓度分析装置将光源1发出的光作为入射光，与传统色谱仪狭缝透射环境中的光相比，光源1发出的光具有较大的光通量，有利于提高会聚点的光能量，从而提升微量气体检测的信噪比。其次，光源1发出的光会向四面八方发散，准直器2准直后照射到被测区域3，色散仪4能够将被测区域3透过的光进行会聚，以通过会聚点仍然实现对被测气体的浓度进行分析的目的；且会聚点在目标方向上散布，目标方向为光从色散仪4出射后的传播方向，测量仪5通过在目标方向上的移动来接收不同会聚点的光能，从而测量仪5每次接收到的只是一个会聚点的光能，从而提升对不同会聚点光能检测的精度，即，提升光谱分辨率。因而，该气体浓度分析装置将信噪比和光谱分辨率的控制因素分离开，实现了同时提升信噪比和光谱分辨率的目的，缓解了传统气体浓度分析装置中，光谱分辨率与信噪比相互制约的技术问题。

本发明实施例的一个可选实施方式中，光源1为点光源。

具体地，光源1为点光源，即，光源1在空间上无延展。会聚点为点光源发出的光经准直器2准直、色散仪4的会聚和色散后所形成的，即，会聚点为点光源的像点，因而，会聚点也为一个空间上无延展的点。

需要强调的是，“点光源”这一概念在物理上指不计大小的一个发光点，即，发光点直径越小越接近“点光源”的本质。对于发光点较大的光源，可以在发光点附近加一个小孔光阑，即，在发光点发出的光进行较低程度的发散的地方加一个小孔光阑，以使发光点透过小孔光阑后的光束类似于从一个点光源发出的光束。其中，小孔光阑离发光点越近，越利于发光点的较多能量通过小孔光阑；小孔光阑的直径越小越利于得到质量较好的点光源。

本发明实施例中，光源1为点光源，会聚点也为一个空间上无延展的点，即，会聚点能量在空间上也较集中，从而，一方面，会聚点的光照强度较大，在基于会聚点能量检测微量气体浓度的情况下，有利于测量仪5提升微量气体检测的信噪比；另一方面，会聚点的面积较小，有利于测量仪5将会聚点的能量进行全面接收，即，将会聚点的能量进行较精确检测。

本发明实施例的另一个可选实施方式中，参照图2，色散仪4为折射式的会聚透镜，会聚透镜使不同的会聚点按光波长在透镜的光轴方向依次分布。

具体地，参见图3，同一透镜(即，上述折射式的会聚透镜)对不同波长的光具有不同大小的焦距，即，包含不同波长的平行光经过同一透镜后，会聚于透镜后的不同焦点处，图3所示的是平行光包含三种波长λ1、λ2、λ3的情况，这三种波长的光会聚于透镜的三个不同的焦点a、b、c。

本发明实施例中，被测区域3透过的光入射到透镜，被测区域3透过的光为平行光，因而，透镜使不同的会聚点按光波长在透镜的光轴方向依次分布。本发明实施例中，色散仪4采用折射式的会聚透镜实现了使不同会聚点在目标方向上散布。

本发明实施例的另一个可选实施方式中，如图2所示，测量仪5包括：光阑51、位置控制器52、光探测器53和信号处理器54，其中，

光阑51的开孔位置设于透镜的光轴上，且位置控制器52用于控制光阑51在透镜的光轴方向移动，以使光阑51移动到不同的会聚点处；

光探测器53用于对透过光阑51的光进行探测，并将探测到的光转化为电信号；

信号处理器54和光探测器53连接，用于接收光探测器53转化的电信号，并根据电信号计算被测气体的浓度。

本发明实施例中，光阑51由位置控制器52控制在光轴方向移动，实现对光阑51透过光波的会聚点进行选择；在光阑51后方设置光探测器53探测会聚点的能量，从而实现吸收光谱的检测；信号处理器54对吸收光谱进行处理，计算出被测气体浓度。

本发明实施例的另一个可选实施方式中，光阑51的开孔为在不透光材料上所开的圆孔。

需要说明的是，光阑51的开孔可以为无任何材料的孔，也可以为由透光材料所制成的孔。进一步，在测量一个会聚点透光能量的时候，可以根据当前待测量会聚点所会聚光波选择透光片，透光片对当前待测量会聚点所会聚光波具有高透光特性，而对于其它光波具有低透光特性，从而有利于使透过光阑51的光的能量绝大部分是当前待测量会聚点所会聚光波的能量，对于提升光谱分辨率具有重要意义。

本发明实施例的另一个可选实施方式中，参见图2，位置控制器52为中空圆柱式的音圈电机，光阑51安装在音圈电机的圆柱端面上，且光阑51的开孔嵌设在音圈电机的中空部分，从而透光光阑51的光全部从音圈电机的中空部分透出入射到光探测器53内。

本发明实施例的另一个可选实施方式中，光探测器53为单像元光电探测器，单像元光电探测器只对会聚点处的能量进行测量，即单像元光电探测器测量的光能量只是会聚点的光能量，从而有利于精确计算出被测气体浓度。

本发明实施例的另一个可选实施方式中，准直器2包括折射式消色差准直镜或者全反射准直镜，图2所示的准直器2采用全反射准直镜。

实施例二

本发明实施例提供的一种开路式气体浓度分析方法，如图4所示，包括：

步骤s1，准直步骤，将光源发出的光准直后照射到被测气体，其中，被测气体为开路式气体浓度分析装置所处环境中的气体，光源发出的光覆盖被测气体的特征吸收光谱；

步骤s2，色散步骤，对被测气体透过的光进行会聚和色散，以使不同波长的光的会聚点在目标方向上散布，其中，目标方向为光从色散仪出射后的传播方向；

步骤s3，测量步骤，接收目标方向上不同会聚点的光能，并根据会聚点的光能对被测气体的浓度进行分析。

在本发明实施例中，准直步骤将光源发出的光作为入射光，与传统色谱仪狭缝透射环境中的光相比，光源发出的光具有较大的光通量，有利于提高会聚点的光能量，从而提升微量气体检测的信噪比。其次，光源发出的光会向四面八方发散，准直步骤将光源发出的光准直后照射到开放环境中的被测气体；色散步骤对被测气体透过的光进行会聚和色散，以使不同波长的光的会聚点在目标方向上散布，其中，目标方向为光从色散仪出射后的传播方向；然后，测量步骤通过接收目标方向上不同会聚点的光能，并根据会聚点的光能对被测气体的浓度进行分析，从而测量仪每次接收到的只是一个会聚点的光能，提升了对不同会聚点光能检测的精度，即，提升了光谱分辨率。因而，该气体浓度分析方法缓解了传统气体浓度分析装置中，光谱分辨率与信噪比相互制约的技术问题。

本发明实施例的一个可选实施方式中，如图5所示，该开路式气体浓度分析方法还包括：

步骤s4，构造步骤，通过单透镜或透镜组构造色散仪，色散仪用于对被测气体透过的光进行会聚和色散，以使得会聚点的间距满足预设间距值。

具体地，步骤s4构造的色散仪用于步骤s2中。步骤s4通过单透镜或透镜组构造色散仪，色散仪可以因透镜的曲率半径、制造材料等因素使得会聚点以不同程度散布，即，使得会聚点的间距满足预设间距值。其中，由于会聚点的间距越大，会聚点之间光照的影响性越小，预设间距值的设置可因会聚点之间光照影响性的要求来定，这里不做具体限定。

本发明实施例中，通过单透镜或透镜组构造色散仪，根据实际情况使会聚点的间距满足预设间距值，有利于调整会聚点的间距，降低会聚点之间光照的影响性。

本发明实施例所提供的气体浓度分析方法及装置的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，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所述以权利要求的保护范围为准。