本發明涉及氣體檢測領域，具體涉及一種高精度紅外多氣體檢測裝置。

背景技術：

氣體濃度的快速準確檢測是環保監控、安全生產、醫療監護、工業過程必不可少的關鍵技術，在煤炭、石油化工、冶金、電力、農業、醫療等行業以及環保工程和生物工程等方面都有著廣泛的應用，氣體檢測裝置的研究己經受到極大的重視。

隨著經濟與科技的發展，人們對氣體檢測裝置提出了越來越高的要求，近年來迅速發展的紅外氣體傳感器具有傳統氣體傳感器無可比擬的優點，因此倍受國內外學者關注，代表了氣體傳感技術的一個重要發展方向。

傳統的氣體檢測裝置往往都是對單一氣體進行檢測，如若需要檢測多種氣體則需要有多套檢測裝置，這樣不僅成本高而且對于空間占用也有一定需求，尤其應用于航天航空領域會受到極大限制；此外，傳統多氣體檢測裝置通常僅能根據特定氣體種類檢測環境中該種氣體的濃度，并且檢測精度達不到更高要求，例如對有毒有害氣體成分變化以及濃度變化要求有高檢測精度的情況下，現有的氣體檢測裝置往往無法達到其精度要求，故而，急需一種高精度氣體檢測裝置來滿足需求。故而，如何實現單一氣體檢測裝置對待測環境中多種氣體成分的種類和濃度進行高精度檢測，成為研究中所要解決的技術問題。此外，現有技術中，光源與探測器往往呈直線設置，吸收氣室的長度一定程度上限定了氣體檢測過程中的光程，因此在測量過程中氣體分子對紅外波長的吸收受到吸收氣室長度的影響，這樣的設計使得氣體傳感器結構較大，攜帶不方便并且在測量多種氣體時受到限制，這些都會影響檢測精度；而在非真空情況下，氣室中會有環境氣體分子吸收干擾，也會影響檢測精度。因此，通過研發安裝結構合理的氣體檢測裝置，精確測量出待測環境多種氣體的種類及濃度，拓展紅外氣體檢測的應用領域，對于氣體檢測領域的應用和相關試驗研究都有積極的影響。

為了克服以上技術問題，亟需一種能夠高精度測量待測環境多種氣體的種類及濃度的紅外氣體檢測裝置。

技術實現要素：

基于上文所述，本發明為克服上述技術問題提供一種高精度紅外多氣體檢測裝置，該氣體檢測裝置的光源能夠發出寬光譜紅外光源并且具有步進式工作模式和掃描工作模式，并且濾光器的性能可通過電信號調節腔長協同光源進行工作，從而使得本發明能夠實現單一裝置一次高精度檢測多種氣體的種類及濃度。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種高精度紅外多氣體檢測裝置，其特征在于，其光氣路系統包括：光源、分光器件、光學氣室、可調腔長濾光器和熱釋電敏感單元；所述光源設置在所述光學氣室外側，所述光學氣室包括參考氣室和吸收氣室，所述參考氣室靠近光源側和相對遠離光源側分別設有第一進光窗和第一出光窗，所述吸收氣室靠近光源側間隔設有第二進光窗和第二出光窗，所述吸收氣室內設置有至少三個凹面反射鏡和光程調節部件，所述吸收氣室與所述參考氣室靠近光源側和相對遠離光源側分別設有進氣口和出氣口；所述光源僅為一個，可發出寬光譜激光并進行掃描式和窄帶步進式工作，光源發出的光經分光器件分為兩束后分別進入參考氣室和吸收氣室，其中一束經過設于參考氣室出氣口的第一可調腔長濾光器到達第一熱釋電單元，另一束經過吸收氣室的第二出光窗射出后經過第二可調腔長濾光器到達第二熱釋電單元最終通過電路輸出相應的參考信號和檢測信號。

進一步地，本發明中吸收氣室包括底座及固定在底座上的殼體，所述殼體與底座間形成容納凹面反射鏡及光程調節部件的容置腔，凹面反射鏡及光程調節部件的設置具體如下：

第一凹面反射鏡，所述第一凹面反射鏡設置在所述吸收氣室內，并位于第二進光窗和第二出光窗之間；

第二凹面反射鏡與第三凹面反射鏡關于所述第一凹面反射鏡的中心軸線對稱設置，并且設于所述吸收氣室出氣口內側的同一垂直面上；

第一凹面反射鏡、第二凹面反射鏡和第三凹面反射鏡曲率半徑相同，三面凹面反射鏡處于同一平面內，所述第一凹面反射鏡的曲率中心在所述第二凹面反射鏡和所述第三凹面反射鏡之間的中點處，所述第二凹面反射鏡和第三凹面反射鏡的曲率中心均在所述第一凹面反射鏡的凹面內。

進一步地，本發明中光程調節部件調節第一凹面反射鏡與第二凹面反射鏡或第三凹面反射鏡所在垂直面的垂直距離、第二凹面反射鏡和第三凹面反射鏡的傾間距以及第二凹面反射鏡或第三凹面反射鏡的傾斜角度。

進一步地，本發明中可調腔長濾光器為F-P腔薄膜濾光器，其結構包括殼體，其內部具有容納空間，所述殼體靠近光學氣室面和相對面分別對應設有第三進光窗和第三出光窗；所述容納空間內設置有固定于底座的第一基板和與第一基板隔離且對稱設置的第二基板，在第一基板與第二基板相向面的中部對稱設有反射層，在第一基板與第二基板兩端部相向的兩個面上分別設有相互對稱的控制電極；第二基板上與控制電極相對的一面通過彈簧與所述殼體固定連接，并且通過電信號控制控制電極以實現第二基板位置的可控調節。

為克服電磁等干擾以使得熱釋電敏感單元接收到的信號更加準確，本發明還包括設置于反射層表面的抗干擾金屬網柵。

進一步地，本發明F-P腔薄膜濾光器的腔長在0.5μm～10μm范圍內連續可調。

本發明有益效果如下：

本發明的高精度紅外多氣體檢測裝置結構設計合理，通過參考氣室與吸收氣室輸出信號的對比分析，從而獲得更為精準的檢測結果，此外參考氣室的存在可以降低外界因素干擾；通過集成于熱釋電敏感單元的濾光器能夠避免特定波段測量下其余波段光的干擾，為了達到更良好的效果，濾光器內增加有抗干擾金屬網柵來屏蔽電磁等干擾；此外還設置能夠發出寬光譜且具有步進式工作模式和掃描工作模式的紅外光源，濾光器采用可變腔長技術協同光源發出的紅外波長實現控制透射至熱釋電敏感單元進行檢測的選通波長，進而實現單一裝置進行多種氣體的高精度檢測；吸收氣室內設置可通過光程部件合理調節的多個凹面鏡實現光程調節，以滿足不同氣體在高檢測精度下的濃度測量。

附圖說明

圖1為紅外高精度多氣體檢測裝置總體示意圖；其中，101是紅外光源，102是參考氣室，103是第一可調腔長濾光器，104是分束器，105是第一熱釋電敏感單元，106是第一反射鏡，107是進氣口，1081是第二進光窗，1082是第二出光窗，109是光程調節部件，110是第二反射鏡，111是出氣口，112是第二可調腔長濾光器，113是吸收氣室，114是第二熱釋電敏感單元。

圖2為氣體吸收室的結構示意圖；其中，1081是第二進光窗，1082是第二出光窗，201是第一光程調節部件，202是容置腔，203是第二光程調節部件，204是第三光程調節部件，205是第一凹面反射鏡，206是反射鏡組(包括第二凹面反射鏡和第三凹面發射鏡)，207是底座。

圖3為抗干擾可調腔長濾光器與釋電敏感單元的位置及結構示意圖；其中，301是彈簧，302是第二基板，303是上控制電極，304是金屬網柵，305是可移動反射層，306是第三進光窗，307是固定反射層，308是第一基板，309是下控制電極，310是第三出光窗。

具體實施方式

結合以下附圖對本發明的具體實施方式進行進一步闡述，此處實施例只用于說明本發明，但不用來限制本發明范圍。

實施例1：

如圖1所示，本發明提供一種高精度紅外多氣體檢測裝置，其光氣路系統包括：紅外光源101、分束器104、光學氣室、可調腔長濾光器和熱釋電敏感單元；所述紅外光源101設置在所述光學氣室外側，所述光學氣室包括參考氣室102和吸收氣室113，所述參考氣室102靠近紅外光源101側和相對遠離光源側分別設有第一進光窗和第一出光窗，所述吸收氣室113靠近紅外光源101側間隔設有第二進光窗1081和第二出光窗1082，所述吸收氣室113內設置有至少三個凹面鏡和光程調節部件109，所述吸收氣室113與所述參考氣室102靠近紅外光源101側和相對遠離紅外光源101側分別設有進氣口107和出氣口111；所述紅外光源101僅為一個，可發出寬光譜激光并進行掃描式和窄帶步進式工作，紅外光源101發出的光經分束器104分為兩束，其中一束進入參考氣室102，并經過設于參考氣室出氣口的第一可調腔長濾光器103到達第一熱釋電單元105，另一束經過第一反射鏡106反射后進入吸收氣室113，并經過設于吸收氣室第二出光窗1082射出并經第二反射鏡110反射后經過第二可調腔長濾光器112到達第二熱釋電單元114，最終通過電路輸出檢測信號。

由于不同氣體在不同檢測精度下的光程是不同的，本實施例中吸收氣室采用懷特池結構實現在一定吸收氣室空間下調節光線的反射次數，進而調節光程，最終達到提高吸收氣室靈敏度及測量結果精確度的要求；如圖2所示，所述吸收氣室113包括底座207及固定在底座207上的殼體，所述殼體與底座207間形成容納凹面鏡及光程調節部件109的容置腔202，凹面鏡及光程調節部件109的設置具體如下：

第一凹面反射鏡205，所述第一凹面反射鏡205設置在所述吸收氣室113內的第二進光窗1081和第二出光窗1082之間；

第二凹面反射鏡與第三凹面反射鏡形成反射鏡組206關于所述第一凹面反射鏡205的中心軸線對稱設置，并且設于所述吸收氣室的出氣口111內側的同一垂直面上；

第一凹面反射鏡205、第二凹面反射鏡和第三凹面反射鏡曲率半徑相同，三面凹面鏡處于同一平面內，所述第一凹面反射鏡205的曲率中心在所述第二凹面反射鏡和所述第三凹面反射鏡之間的中點處，所述第二凹面反射鏡和第三凹面反射鏡的曲率中心均在所述第一凹面反射鏡205的凹面內。

具體而言，所述光程調節部件109包括如圖2所示的第一光程部件201、第二光程部件203和第三光程部件204；第二光程部件203安裝于第一光程部件201上調節第一凹面反射鏡205與第二凹面反射鏡或第三凹面反射鏡所在垂直面的垂直距離，第三光程部件204安裝于第二光程部件203上調節第二凹面反射鏡和第三凹面反射鏡的間距，第二光程部件203上第二凹面反射鏡或第三凹面反射鏡可沿其所在垂直面做一定角度的俯仰調節從而使得第二凹面反射鏡或第三凹面反射鏡的傾斜角度改變，使其曲率中心在第一凹面反射鏡凹面上的位置發生改變，根據實際需要采取以上三種調節方式均能夠改變光在三面反射鏡之間總反射次數，進而達到改變光程的目的。

如圖3所示，可調腔長濾光器為F-P腔薄膜濾光器，其結構包括殼體，其內部具有容納空間，所述殼體靠近光學氣室面和其相對面分別對應設有第三進光窗306和第三出光窗310；所述容納空間內設置有固定于底座的第一基板308和與第一基板308隔離且對稱設置的第二基板302，根據本領域技術人員的公知常識，所述基板的材質應為絕緣材質，通常采用硅基薄板，但不局限于硅基薄板，在第一基板308與第二基板302相向面的中部對稱設有反射層，其中第一基板308上的反射層為固定反射層307，第二基板302上的反射層為可移動反射層305，為克服電磁等干擾以使得熱釋電敏感單元接收到的信號更加準確，本實施例在固定反射層307上設有金屬網柵，上述金屬網柵可實現光學透明且屏蔽電磁干擾(主要為MHz及GHz頻段)，屏蔽效能可達30dB，并且在紅外窗口電磁屏蔽的應用中，金屬網柵對中、長波紅外影響非常小(透過率≥95％)；在第一基板308與第二基板302相向面的兩端部分別對稱設有下控制電極309和上控制電極303，第二基板302相背于控制電極的一面通過彈簧301與殼體固定連接，并通過電信號控制上控制電極303，實現第二基板302位置的可控調節。

實施例2：

采用本發明實施例1所提供的高精度紅外多氣體檢測裝置進行特定環境的氣體檢測，主要分為以下兩個部分：

一、氣體分子種類檢測：首先將待測氣體由進氣口107通入吸收氣室113中，然后紅外光源101使其以步進式工作模式連續發出窄帶紅外光，經分束器104分光后，一束光進入參考氣室102，另一束光經反射鏡106反射進入吸收氣室113；其中第一光程部件201，第二光程部件203和第三光程部件204共同構成光程調節部件109，反射鏡組206設置于第二光程部件203上，第二凹面反射鏡和第三凹面反射鏡的中點分別為B1和B2，通過調節第二光程部件203在第一光程部件201上的水平位置、第二凹面反射鏡或第三凹面反射鏡的傾斜角度以及第二凹面反射鏡中點B1與第三凹面反射鏡中點B2的間距d，可以改變紅外光在第一凹面反射鏡205與反射鏡組206之間的反射次數以及單光程長度，從而改變光在吸收氣室113中的總光程，使光程滿足各氣體達到飽和吸收所需要求；通過參考氣室102和吸收氣室113后的紅外光分別射入到與之相對應的第一可調腔長濾光器105與第二可調腔長濾光器114中，上述紅外光通過第三進光窗306進入可調腔長濾光器中，通過調節可移動反射層305與固定反射層之間距離307實現特定范圍波長通過第三出光窗310透射至相應熱釋電敏感單元，并由該敏感單元響應并輸出其響應值。

具體而言，為屏蔽外界電磁信號等干擾，可在固定反射層307制作金屬網柵304來降低外界因素干擾；本發明可變腔長濾光器為現有技術，其實質是一個可變腔長的F-P腔，通過電信號控制F-P腔的腔長變化，進而腔長的變化就會引起透過F-P腔的光波波長的改變。本實施例中可移動反射層305的位置移動由上控制電極303與下控制電極309間靜電力及彈簧301的彈力共同控制，當紅外光源101發射窄帶紅外光時，根據現有濾光器可調腔長將有與該窄帶紅外光對應的一個電壓信號作用于上控制電極303上，此時上控制電極303與下控制309之間的電壓差改變，由于電極是設置在絕緣基板上的，通過彈簧301將第二基板302兩端部的上控制電極303與殼體連接，在靜電力和彈力的作用下導致可移動反射層與固定反射層之間距離發生改變，即F-P腔的腔長發生變化。因此，通過電信號連續調節濾光器，使其選通與紅外光源101發出的窄帶波長一致的紅外光透射至熱釋電敏感單元，由該敏感單元讀出并記錄其響應，然后利用第一熱釋電敏感單元105和第二熱釋電敏感單元114的響應值對比還原出被測氣體吸收光譜，結合氣體紅外吸收光譜特征，與標準庫進行對比即可確定被測氣體分子種類。

二、氣體分子濃度檢測：紅外光源101以掃描工作模式發出紅外光，經分束器104(分數比為m：1)分束后，分別進入吸收氣室102和參考氣室113，吸收氣室113的出射光能量為P₁，參考氣室102的出射光能量為P₂，經過第一熱釋電敏感單元105產生響應電壓V₂和第二熱釋電敏感單元114產生響應電壓V₁分別如下：

V₂＝P₂R_v (1)

V₁＝kP₁R_ve^-aCL， (2)

其中，公式(2)中k為光能損耗系數，R_v為熱釋電敏感單元電壓響應率，a為氣體吸收系數，C為氣體濃度，L為有效光程長度。

經過系數校正后，在無吸收特征氣體下可得能量關系如下：P₁＝mkP₂，因此當吸收氣室和參考氣室通入寬光譜紅外光之后可得由此可得結合熱釋電敏感單元比探測率D^*和電壓分辨率V_N可得氣體分子最小分辨濃度從該式可得出當V₂取得最大值時C_min達到最小，即分辨率最高。

本實施例高精度檢測CO，NO₂和NH₃混合氣體各氣體分子濃度，紅外光源具體為量子級聯激光器，可發出0.6～3.3μm波長范圍的紅外光；吸收氣室總光程長度0.8～10m可調；濾光器的腔長在0.6～3.3μm范圍內連續可調；熱釋電敏感單元比探測率D^*為V_N為典型值75μV。當混合氣體經過分子種類檢測流程后，我們確定混合氣體中含有CO分子，NO₂分子和NH₃分子。由標準庫可知這三種氣體的吸收系數a分別為3.1107/cm，16090.5/cm和4.7244/cm，此時考慮到三種氣體分子都需達到飽和吸收，則應調節吸收氣室總光程長度為5.5m，經檢測得到熱釋電敏感單元105的響應電壓為4.5V，通過氣體濃度檢測原理中的公式可以計算出這三種氣體的c_min理論值分別為9.741×10^-9，1.896×10^-12和6.414×10^-9，均遠低于0.01ppm，達到當下國內外頂尖氣體檢測裝置濃度分辨率標準，綜上所述可以表明本發明具有極高的濃度檢測精度。

以上對本發明的實施例進行了詳細說明，但所述內容僅為本發明的較佳實施例，并不用與限制本發明。凡在本發明的申請范圍內所做的任何修改，等同替換和改進等均應包含在本發明的保護范圍之內。