[发明专利]一种痕量气体浓度检测的光谱系统

说明书

本发明公开了一种痕量气体浓度检测的光谱系统，光源发出的光线经准直后，形成不同角度的平行光，入射到光学吸收腔，在物镜和场镜之间进行多次折返，被光学吸收腔内气体吸收后的光线，入射至非对称三角共路结构的分束板上，入射至分束板的光线被1:1分为两路，一路由分束板透射至第一平面反射镜，经第一平面反射镜反射至第二平面反射镜，再经过第二平面反射镜反射至分束板，最后由分束板透射至会聚镜；另一路由分束板反射至第二平面反射镜，经第二平面反射镜反射至第一平面反射镜，再由第一平面反射镜反射至分束板，最后由分束板反射至会聚镜；会聚镜将两路光线会聚，并成像至线阵探测器上。本发明具有低成本、高通量、高信噪比的优势。

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，涉及一种痕量气体浓度检测的光谱系统。

背景技术

光学吸收光谱法是一种气体浓度检测方法，而气体的光谱获取是光学吸收光谱法进行浓度反演的基础和关键技术。

目前，传统的吸收光谱法检测气体浓度多采用气体吸收腔增加气体光程，通过增加光线在气体中的光程，提高对低浓度痕量气体的检测能力(提高检出限)。并在吸收腔的输出孔径处以光纤光谱仪进行目标气体特征吸收光谱获取，再利用光学吸收光谱技术对气体的浓度进行反演。

光纤光谱仪的的工作原理是基于光栅色散分光。利用光栅的色散能力，将狭缝光线按照波长在空间分开，并用线阵探测器接收。线阵探测器上不同位置的感光单元接收到不同波长的能量，最终得到痕量气体在整个波段的范围的光谱。光纤光谱仪受其光栅色散分光原理的限制，此类光纤光谱仪具有谱线弯曲，波长精度有限；此外，其狭缝宽度直接影响仪器的光谱分辨率。因此，为获得较高光谱分辨率，需要将狭缝宽度做的很窄。这在很大程度上影响了整个系统的光通量，无法得到较高信噪比的光谱信号，致使其对痕量气体吸收光谱的探测能力较低。

气体吸收腔充有待测痕量气体。光源发出的光线被准直后，平行光进入气体吸收腔的输入孔径，并在物镜和场镜的多次反射后，在气体吸收腔的出射孔径以平行光出射；在气体吸收腔的出射孔径处以光纤探头接收光线，并传导至光纤光谱仪。进入光纤光谱仪的光线，在光谱仪内部，经过狭缝限制其通光孔径，经过准直镜入射到光栅，经过光栅分光后的光线被聚光镜会聚至线阵探测器上。

传统气体检测光谱系统的缺点：

1.为使用光纤光谱仪，吸收腔的光线输入孔径非常小，限制了系统的光通量，从而影响痕量气体浓度的检测限。

2.吸收腔的输出孔径也很小，出射的光线由光纤传导，光通量受到光纤孔径的限制；光通量和光能利用率低；在一定程度上降低了系统的光谱灵敏度。

3.光纤光谱仪的光栅色散分光原理决定了其不可避免的具有谱线弯曲的缺点，并在光谱仪中使用宽度与光谱分辨率成反比的狭缝，因此，其光谱精度和光通量收到限制。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种痕量气体浓度检测的光谱系统，克服光栅光谱仪狭缝宽度与光谱分辨率成反比的缺点，使用宽狭缝提高系统的光通量和灵敏度的同时，保证较高的光谱分辨率；采用干涉分光的原理，无需光栅分光，避免光栅分光引起的谱线弯曲；与光栅相比，降低干涉分光器件成本。

(二)技术方案