本發(fā)明屬于大氣環(huán)境檢測技術(shù)及光譜測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種便攜式多組分氣體紅外光譜檢測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

傅里葉變換紅外(ftir)光譜技術(shù)是近年來快速發(fā)展起來的一種綜合性探測技術(shù)，具有測量速度快、探測波段寬、精度高、分辨率高、光通量大、雜散光低等優(yōu)點(diǎn)，在諸多領(lǐng)域如環(huán)境、農(nóng)業(yè)、石油、食品、生物化工、制藥及醫(yī)學(xué)等得到了廣泛應(yīng)用。大氣中大多數(shù)微量、痕量氣體都是紅外活性氣體，在中紅外區(qū)(2.5～25μm)波段具有各自的特征吸收，對于光譜測量非常有利，因而ftir在大氣環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用前景非常廣泛。世界上許多國家利用該種技術(shù)開展對大氣環(huán)境及大氣污染的觀測及研究工作，尤其是對污染源排放氣體進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測；對區(qū)域性的溫室氣體和反應(yīng)性痕量氣體的本底、分布廓線、時空變化進(jìn)行觀測研究。

ftir技術(shù)適合于同時對多種氣體污染物的在線自動測量，在大氣環(huán)境氣態(tài)污染物檢測方面，具有以下優(yōu)點(diǎn)：可探測多原子分子，可快速分析多組分氣體混合物；可進(jìn)行實(shí)時遠(yuǎn)距離監(jiān)測氣體擴(kuò)散；非接觸性測量，無需樣品制備和預(yù)處理；測量過程不會污染探測器。

目前，國內(nèi)外ftir技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測方面的主要應(yīng)用方式有：抽取式測量方式；長光程開放光路測量方式；地基太陽光譜ftir測量；熱煙羽和化學(xué)蒸氣云團(tuán)的ftir被動測量；機(jī)載、球載、星載ftir被動測量。其中大多數(shù)使用方式均采用臺式機(jī)方式，與臺式結(jié)構(gòu)ftir系統(tǒng)相比較，便攜式ftir系統(tǒng)具有占地少、質(zhì)量輕、無需樣品制備、操作使用更簡便等優(yōu)點(diǎn)，適合突發(fā)大氣事故現(xiàn)場應(yīng)急監(jiān)測、污染源排放監(jiān)測、化工園區(qū)大氣環(huán)境監(jiān)測和催化轉(zhuǎn)化過程氣體檢測等領(lǐng)域。

常規(guī)氣體傳感器使用壽命短，測量成分有限，精度較低；氣相色譜方法具有選擇性好、精度高等特點(diǎn)，但是需要對樣品進(jìn)行低溫濃縮富集、加熱解析，再配以適當(dāng)檢測器進(jìn)行檢測，測量周期較長，不適合現(xiàn)場在線測量。因此，開發(fā)具有測量速度快、測量精度高、操作使用簡單的便攜式多組分氣體在線檢測儀器，對于提高我國大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的不足，提供了一種便攜式多組分氣體紅外光譜檢測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測人員方便快捷的攜帶設(shè)備進(jìn)入到具體應(yīng)用現(xiàn)場，如突發(fā)大氣事故應(yīng)急監(jiān)測、固定污染源煙氣排放監(jiān)測、化工園區(qū)大氣環(huán)境監(jiān)測等，對被測區(qū)域的氣體進(jìn)行快速準(zhǔn)確的定性和定量監(jiān)測，為大氣環(huán)境監(jiān)測提供可靠監(jiān)測設(shè)備，為生產(chǎn)環(huán)境的大氣安全性提供預(yù)警，為大氣環(huán)境的督查和監(jiān)察提供有效數(shù)據(jù)支撐。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：一種便攜式多組分氣體紅外光譜檢測系統(tǒng)，包括便攜式箱體以及安裝在便攜式箱體內(nèi)的：紅外光源、紅外干涉儀、樣品池、氣泵、紅外探測器、數(shù)據(jù)采集卡、計算機(jī)及電源模塊；所述樣品池上接有進(jìn)氣管和排氣管，所述氣泵串接在排氣管上，所述進(jìn)氣管和排氣管貫通至便攜式箱體外部，并在便攜式箱體的外壁上設(shè)有進(jìn)氣接口和排氣接口，所述進(jìn)氣接口上接有氣體采樣頭；紅外光源發(fā)出的紅外信入射到紅外干涉儀，紅外干涉儀完成紅外光調(diào)制，將紅外信號調(diào)制成干涉信號，干涉信號經(jīng)過樣品池被目標(biāo)氣體選擇性吸收，紅外探測器探測被吸收后的紅外信號，數(shù)據(jù)采集卡完成紅外干涉信號采集，然后將信號送到計算機(jī)解調(diào)，完成紅外光譜還原，最后進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)處理和目標(biāo)氣體濃度反演。

所述便攜式箱體由箱槽和箱蓋構(gòu)成，箱槽和箱蓋的的其中一側(cè)通過鉸鏈鉸接，另一側(cè)即鉸鏈所在側(cè)的對側(cè)設(shè)有搭扣和把手；所述紅外光源、紅外干涉儀、樣品池、氣泵、紅外探測器、數(shù)據(jù)采集卡和電源模塊安裝在箱槽內(nèi)，所述計算機(jī)安裝在箱蓋上，且箱蓋上開設(shè)有一通孔，使計算機(jī)的顯示模塊能夠暴露在箱蓋的外側(cè)。

氣體采樣頭可拆卸的連接在所述進(jìn)氣接口上，氣體采樣頭內(nèi)包含粉塵過濾器；所述氣泵采用配置無刷電機(jī)的微型抽氣泵。

所述紅外干涉儀由紅外分束片、紅外補(bǔ)償片、動鏡和定鏡組成，其中動鏡和定鏡采用角反射鏡。

樣品池采用多次反射式懷特型結(jié)構(gòu)樣品池，利用三塊球面鏡，實(shí)現(xiàn)紅外光多次折返，樣品池的氣路進(jìn)出口安裝有卡套接頭，光路進(jìn)出口安裝有密封硅橡膠，池體采用整體鋁合金加工；三塊鏡片鍍紅外金膜和保護(hù)膜，光譜范圍2～14um，反射率＞90％。

紅外探測器采用mct(碲鎘汞)光電導(dǎo)檢測器，探測器響應(yīng)波段為2～16μm，響應(yīng)率大于等于1500v/w，有效探測面積為1mm×1mm，窗口材料為znse。

計算機(jī)采用8寸一體化工控機(jī)，通過usb通訊方式與信號采集卡連接，完成紅外干涉信號采集、紅外光譜復(fù)原、氣體濃度定量反演以及結(jié)果顯示保存。

目標(biāo)氣體濃度反演方法采用基于合成參考光譜的非線性最小二乘定量分析方法，充分考慮系統(tǒng)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)以及多組分氣體交叉吸收干擾影響，利用實(shí)測吸收光譜與合成參考光譜進(jìn)行最小二乘擬合，實(shí)現(xiàn)多組分目標(biāo)氣體濃度反演。

便攜式箱體采用鋁合金材料加工，底部安裝了減震橡膠墊。

所述箱槽側(cè)壁上設(shè)有用于固定進(jìn)氣管和/或排氣管的管卡，以及用于容置導(dǎo)線的走線槽；所述箱蓋內(nèi)側(cè)設(shè)有用于收納并固定氣體采樣頭的卡槽，箱蓋內(nèi)側(cè)還設(shè)有一繞線盤，繞線盤上纏繞有備用軟管。

本發(fā)明的技術(shù)效果在于：本發(fā)明提供了一種便攜式多組分氣體紅外光譜檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多組分氣體濃度在線實(shí)時檢測，可用于大氣環(huán)境檢測中的諸多領(lǐng)域，如突發(fā)大氣事故現(xiàn)場應(yīng)急監(jiān)測、污染源排放監(jiān)測、化工園區(qū)大氣環(huán)境監(jiān)測和催化轉(zhuǎn)化過程氣體檢測等領(lǐng)域，為大氣環(huán)境監(jiān)測提供了一種可靠設(shè)備。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的原理圖；

圖2是本發(fā)明使用狀態(tài)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的便攜式箱體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中標(biāo)號：1.紅外光源，2.紅外干涉儀，3.氣體采樣頭，4.樣品池，5.氣泵，6.探測器，7.數(shù)據(jù)采集卡，8.計算機(jī)，9.反射鏡，10.干涉儀動鏡，11.反射鏡，12.分束片，13.補(bǔ)償片，14.干涉儀定鏡，15.反射鏡，16.球面反射鏡，17.球面反射鏡，18.球面反射鏡，19.反射鏡，20.反射鏡，21.電源模塊，22.進(jìn)氣管，23.排氣管，24走線槽，221.進(jìn)氣接口，231.排氣接口，30.便攜式箱體，31.箱槽，32.箱蓋，33.把手，34.鉸鏈，312.管卡，321.卡槽，322.繞線盤，323.備用軟管，81.顯示模塊。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

如圖1～3所示，一種便攜式多組分氣體紅外光譜檢測系統(tǒng)，包括便攜式箱體30以及安裝在便攜式箱體30內(nèi)的：紅外光源1、紅外干涉儀2、樣品池4、氣泵5、紅外探測器6、數(shù)據(jù)采集卡7、計算機(jī)8及電源模塊21；所述樣品池4上接有進(jìn)氣管22和排氣管23，所述氣泵5串接在排氣管23上，所述進(jìn)氣管22和排氣管23貫通至便攜式箱體30外部，并在便攜式箱體30的外壁上設(shè)有進(jìn)氣接口221和排氣接口231，所述進(jìn)氣接口221上接有氣體采樣頭3；紅外光源1發(fā)出的紅外信入射到紅外干涉儀2，紅外干涉儀2完成紅外光調(diào)制，將紅外信號調(diào)制成干涉信號，干涉信號經(jīng)過樣品池4被目標(biāo)氣體選擇性吸收，紅外探測器6探測被吸收后的紅外信號，數(shù)據(jù)采集卡7完成紅外干涉信號采集，然后將信號送到計算機(jī)8解調(diào)，完成紅外光譜還原，最后進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)處理和目標(biāo)氣體濃度反演。

為了使各部件之間的空間布局更加緊湊，還可以采用多個紅外反射鏡9、11、20來改變光路的行進(jìn)方向，為此，本發(fā)明提供了以下實(shí)施例：紅外光源1發(fā)射的連續(xù)紅外光波經(jīng)過反射鏡9反射后，一部分紅外光穿過分束片12和補(bǔ)償片13到達(dá)定鏡14，被定鏡14反射后延原光路返回，再次到達(dá)分束片12和補(bǔ)償片13，經(jīng)分束片12和補(bǔ)償片13反射；另一部分紅外光被分束片12和補(bǔ)償片13反射后到達(dá)動鏡10，被動鏡10反射后延原光路返回，再次到達(dá)并穿過分束片12和補(bǔ)償片13，上述兩部分光重新匯合，在動鏡10延直線運(yùn)動的情況下產(chǎn)生干涉，干涉光經(jīng)過反射鏡11反射后，傳播方向改變90度，然后經(jīng)過反射鏡15反射，傳播方向改變90度，穿過氣體池入射紅外窗片進(jìn)入氣體樣品池4，然后經(jīng)過氣體池的三塊球面鏡16、17、18連續(xù)多次反射后，穿過氣體池出射紅外窗片，記錄了目標(biāo)氣體吸收信息的紅外光經(jīng)過反射鏡19反射，然后經(jīng)過橢球面反射鏡20反射聚焦后最終被探測器6接收，數(shù)據(jù)采集卡7完成探測信號的采集，然后送入計算機(jī)8，計算機(jī)8完成紅外干涉信號處理、光譜復(fù)原和氣體濃度定量反演。

優(yōu)選的，所述便攜式箱體30由箱槽31和箱蓋32構(gòu)成，箱槽31和箱蓋32的的其中一側(cè)通過鉸鏈34鉸接，另一側(cè)即鉸鏈34所在側(cè)的對側(cè)設(shè)有搭扣和把手33，可進(jìn)行手提移動式測量；所述紅外光源1、紅外干涉儀2、樣品池4、氣泵5、紅外探測器6、數(shù)據(jù)采集卡7和電源模塊21安裝在箱槽31內(nèi)，所述計算機(jī)8安裝在箱蓋32上，且箱蓋32上開設(shè)有一通孔，使計算機(jī)8的顯示模塊81能夠暴露在箱蓋32的外側(cè)。

優(yōu)選的，氣體采樣頭3可拆卸的連接在所述進(jìn)氣接口221上，氣體采樣頭3內(nèi)包含粉塵過濾器，完成目標(biāo)氣體粉塵過濾，防止樣品池4光學(xué)鏡片受粉塵污染；所述氣泵5采用配置無刷電機(jī)的微型抽氣泵5，具有不干擾周圍電子元器件、不污染電源的特性，可以抽取腐蝕性氣體，工作電壓24v，平均流量3.5l/min。

優(yōu)選的，所述紅外干涉儀2由紅外分束片12、紅外補(bǔ)償片13、動鏡10和定鏡14組成，動鏡10和定鏡14采用角反射鏡，動鏡10和定鏡14采用角反射鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平面反射鏡，可以使干涉儀對動鏡10的傾斜不敏感，從而起到傾斜補(bǔ)償?shù)淖饔?，具有良好的抗干擾能力，能夠滿足系統(tǒng)在惡劣環(huán)境條件下使用。

優(yōu)選的，樣品池4采用多次反射式懷特型結(jié)構(gòu)樣品池4，利用三塊球面鏡16、17、18，實(shí)現(xiàn)紅外光多次折返，具有光路長、體積小、重量輕等特點(diǎn)，多次反射后最大光程可達(dá)10m，樣品池4的氣路進(jìn)出口安裝有卡套接頭，光路進(jìn)出口安裝有密封硅橡膠，池體采用整體鋁合金加工；三塊球面鏡16、17、18鍍紅外金膜和保護(hù)膜，光譜范圍2～14um，反射率＞90％，在保證反射率的同時有效保護(hù)反射鏡面，易于清理和維護(hù)。

優(yōu)選的，紅外探測器6采用mct碲鎘汞光電導(dǎo)檢測器，探測器6響應(yīng)波段為2～16μm，響應(yīng)率大于等于1500v/w，有效探測面積為1mm×1mm，窗口材料為znse，紅外探測器6在工作時，必須對其制冷，以降低探測噪聲保證信噪比，可采用斯特林制冷或者液氮制冷方式。

計算機(jī)8采用8寸一體化工控機(jī)，具有重量輕、體積小的特點(diǎn)，通過usb通訊方式與信號采集卡連接，完成紅外干涉信號采集、紅外光譜復(fù)原、氣體濃度定量反演以及結(jié)果顯示保存等。

目標(biāo)氣體濃度反演方法基于合成參考光譜的非線性最小二乘定量分析方法，首先建立高分辨的吸收標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)庫，然后定量考慮系統(tǒng)的視場角、分辨率、切趾等影響，在合成高分辨標(biāo)準(zhǔn)光譜基礎(chǔ)上卷積儀器線型函數(shù)，構(gòu)建包括背景基線、儀器參數(shù)、目標(biāo)組分濃度等待定參量的測量光譜與合成光譜的超定方程組模型，使用levenberg-marquardt非線性最小二乘迭代算法，在擬合測量光譜和合成光譜的過程中，精確反演目標(biāo)氣體組分濃度。目標(biāo)氣體濃度定量分析時，氣體成分反演波段選擇避開水汽吸收帶或選擇水汽吸收相對較小波段；考慮水汽在光譜吸收中的貢獻(xiàn)，分析算法上將水汽作為待測組分與目標(biāo)氣體一起擬合，去除水汽干擾。該方法可解決使用傳統(tǒng)中紅外氣體定量分析方法時光譜背景基線波動、低分辨率儀器參數(shù)影響、水汽等強(qiáng)干擾吸收混疊等問題，提高分析精度。

便攜式箱體30采用鋁合金材料加工，底部安裝了減震橡膠墊。箱槽31側(cè)壁上設(shè)有用于固定進(jìn)氣管22和/或排氣管23的管卡，以及用于容置導(dǎo)線的走線槽24；所述箱蓋32內(nèi)側(cè)設(shè)有用于收納并固定氣體采樣頭3的卡槽321，箱蓋32內(nèi)側(cè)還設(shè)有一繞線盤322，繞線盤322上纏繞有備用軟管323。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。