一种获取红外光谱法最佳光程的试验装置及方法与流程

【】本发明属于光谱检测，具体涉及一种基于气体分子红外吸收的光谱检测技术。

背景技术

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背景技术：

1、基于气体分子红外吸收的光谱检测技术具有高精度、高灵敏度、响应时间快、对检测气体无污染等特点，被广泛应用于低浓度气体检测领域。不同气体具有不同的吸收光谱特性，如果气体的吸收波段在红外辐射光谱范围内，那么当红外辐射通过气体时，在相应波段处就会发生能量强度衰减，衰减程度与气体浓度呈正比。因此，通过分析红外辐射的衰减量，即可推算出气体浓度。气体对红外辐射的吸收满足朗伯—比尔定律：

2、io(λ)＝ii(λ)e-k(λ)dl  (1)

3、其中，io(λ)，ii(λ)分别为透射光强和入射光强，k(λ)为气体在波长λ处的光吸收系数，c为待测气体的浓度，l为吸收的有效光程。

4、现有技术中较为先进的红外光谱检测仪器多采用双通道差分式，即分为参比通道和测量通道。通过在参比通道和测量通道上安装两个特定波长的红外滤光片，其中，参比通道的滤光片透射后的红外光波段不会被混合气体中的所有气体吸收；测量通道则选用仅能透过待测气体红外吸收波段的滤光片。参比通道与测量通道滤光后的红外光由双探头红外接收器转化为两路电信号(光强与电信号强度呈正相关)，经差分电路放大后再进行a/d转换，最后由单片机读取该数字信号并根据内置公式转换为待测气体浓度。

5、受红外接收器灵敏度限制，若红外光照射路径上的待测气体分子量较少，则相应波段的红外光衰减程度越低，测量通道的红外接收器可能无法识别出光强变化，导致经差分放大后的电信号值与被测气体浓度为零时一致，仪器灵敏度较低。由于待测气体浓度为定值，根据式(1)可知，延长气体吸收光程可增加被照射的待测气体分子量，提高透射光强的衰减程度，使差分后的电信号值增加，从而提高检测灵敏度。但是光程越长，仪器体积也就越大，并受其它不可控因素如光池内壁材料吸光性、光密性等影响，参比通道红外接收器接收到的光强衰减程度也会增加。当光程增加到一定值之后，继续提高光程不会再使差分后的电信号值增加，电信号值可能趋于稳定甚至出现轻微下降，灵敏度变化不大。因此，为提高红外光谱检测仪器灵敏度的同时并尽量减少装置体积，仪器生产厂家需要进行光程试验，获取最佳光程。

6、目前主要通过试验不同长度的光池，并根据差分放大后的电信号值来获取最佳光程，具体为：固定光源强度以及待测气体浓度，按照光程长度从小到大依次试验不同长度的光池(例如依次选用5cm、10cm、15cm、20cm……)；选取差分后的电信号值最大对应的光程中最小值作为最佳光程。上述试验方法要求储备大量不同长度的光池，实验成本较高；另外每次更换光池都需要重新拆卸安装红外光谱检测模块并严格控制气密性和光密性，试验流程繁琐，工作效率低。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明所要解决的技术问题在于提供一种获取红外光谱法最佳光程的试验装置及方法，解决现有技术试验成本高和效率较低的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、首先，提供了一种获取红外光谱法最佳光程的试验装置，包括本体、设于本体内的活塞、设于活塞的透光片、设于本体第一端的红外脉冲光源以及设于本体第二端的镜面、参比通道滤光片、测量通道滤光片以及双通道红外接收器；所述本体在靠近镜面一侧设有抽真空组件，通过抽真空组件将本体位于活塞第二侧的空间抽真空，形成真空空间；所述本体在靠近红外脉冲光源一侧设有进气口和出气口，通过控制进气口进气和出气口出气向本体位于活塞第一侧空间通入待测气体并将残余气体全部置换出去；所述红外脉冲光源发射红外光，红外光依次穿过待测气体、透光片、真空空间并照射到镜面上实现反射，经镜面反射的红外光通过参比通道滤光片和测量通道滤光片至双通道红外接收器上转化成电信号，电信号由单片机进行处理；所述活塞连接驱动机构，所述驱动机构包括电机和传动组件，电机由单片机控制，传动组件将电机的转动转换为活塞的直线移动，所述活塞沿着本体在初始位置和终止位置之间移动。

4、作为优选，所述电机为减速电机，所述单片机设有产生脉宽调制信号的pwm模块，通过脉宽调制信号对电机进行控制。

5、作为优选，所述电机连接有电流表和光电转速传感器。

6、作为优选，所述传动组件包括与活塞连接的齿条和与齿条啮合的齿轮，电机转动带动齿轮转动，齿轮转动带动齿条移动，齿条移动带动活塞同步直线运动。

7、作为优选，所述活塞连接有十字支撑架，所述十字支撑架的中心位置固定连接有齿条直杆，所述齿条设于齿条直杆靠近齿轮一侧。

8、作为优选，所述抽真空组件包括真空泵、连接本体上抽真空口和真空泵进气口的电磁阀一以及连接在电磁阀一与真空泵之间的真空计。

9、作为优选，所述本体上对应活塞初始位置设有限制活塞移动的第一卡销、对应活塞的终止位置设有限制活塞移动的第二卡销。

10、作为优选，所述出气口连接有电磁阀二，所述进气口连接有电磁阀三。

11、另外，提供了一种获取红外光谱法最佳光程的试验方法，采用所述的试验装置进行试验，包括如下步骤：

12、(1)将活塞位置初始化，在活塞处于初始位置时，对应试验装置允许光程调节范围的最小值，有效光程最短，为l0；

13、(2)启动抽空流程，并且在实验过程中持续进行抽真空；

14、(3)进气环节，待测气体从进气口进气并从出气口流出；

15、(4)启动红外脉冲光源，经镜面反射的红外光透过参比通道滤光片和测量通道滤光片，分别照射到双通道红外接收器对应的两个红外接收器上并产生两路电信号es和e0，由单片机进行处理，自动输出并记录电信号差值△e0(es-e0)，表示有效光程长度为l0时的输出信号差值；

16、(5)单片机控制电机顺时针转动，使活塞向远离红外光脉冲光源方向移动，从而提高有效吸收光程长度；电机按照每转动t1秒后停止转动t2秒的模式进行交替启停，并将每次启停视为一个运动周期t(t1+t2)，同时活塞上透光片间歇性运动；在每个运动周期t内的转动期间t1秒内，由光电转速传感器实时监测减速电机转速n，获取多个转速值n1、n2、……、ns，s为该时间段内获取的转速值数量，并根据监测结果计算该阶段转速平均值计算方法为：

17、

18、停止转动期间，红外光照射到双通道红外接收器上产生两路电信号es和ei，由单片机进行处理，待△ei(es-ei)稳定后，自动输出并记录该值，△ei表示在有效光程长度为li时的输出信号差值，其中li计算方法为：

19、

20、式中，i为已进行的运动周期t的次数；为第i个运动周期转速平均值；g为齿轮传动系数，即电机每转动1圈，活塞移动的距离；

21、(6)当运动多个周期后，活塞处于终止位置，即本试验装置允许光程调节范围的最大值，关闭电机，此处有效光程最长，为lmax；

22、(7)到达有效光程最远处时停止抽真空和进气，按照步骤(1)将活塞位置初始化；

23、(8)分析处理记录的多组(△ei，li)，根据式(4)：

24、δei∈(0.95δei+1，1.05δei+1)                 (4)

25、若存在δei满足式(3)，则δei对应的li即为最佳光程；若有多组δei满足式(4)，则取最小的li作为最佳光程。

26、进一步的，实时监测电机电流q，当电机电流q达到或超过额定电流q额定2倍时，说明电机堵转现象，活塞被第一卡销限制继续向红外光源处移动，此时活塞处于初始位置；当电机电流q达到或超过额定电流q额定3倍时，说明再次出现电机堵转现象，活塞被第二卡销限制继续向远离红外光源处移动，此时活塞处于终止位置。

27、本发明采用上述技术方案，试验过程中，红外脉冲光源发射红外光，红外光依次穿过待测气体、透光片、真空空间并照射到镜面上实现反射，经镜面反射的红外光通过参比通道滤光片和测量通道滤光片至双通道红外接收器上转化成电信号，电信号由单片机进行处理。

28、由于透光片设于活塞上，活塞连接驱动机构，驱动机构包括电机和传动组件，电机由单片机控制，通过传动组件驱动活塞，使活塞沿着本体在初始位置和终止位置之间移动，调节透光片与红外脉冲光源之间含有待测气体的空间长度距离，改变有效光程的大小。这样，通过变换光程大小，并由单片机对试验数据进行自动处理，最终可以确定双通道红外接收器的电信号差值稳定时对应的最佳光程。

29、因此，具有如下有益效果：

30、1、采用电机转动带动齿条直杆移动，直杆移动带动活塞同步上下运动，改变有效光程的大小，并将双通道红外接收器的电信号差值稳定时的光程确定为最佳光程，方法简单有效、实时性高。

31、2、针对不同气体的最佳光程不同，均可以通过这种方式进行光程的最优值找寻，整个装置结构简单，测得效果良好。

32、3、本发明将整个试验过程自动进行，与现有技术相比，试验过程不需要更换光池，不需要重新拆卸安装红外光谱检测模块，简化了试验流程，降低了试验成本，提高了试验效率。

33、本发明的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式、附图中详细的揭露。