专利名称：Doas分析仪的高灵敏度光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用光学和光谱学技术对气体浓度进行在线测量的DOAS分析仪的高灵敏度光学系统，该光学系统作为气体浓度信息传递的物理通道，是整个系统的核心部件。
背景技术：
工业烟气，特别是火力发电厂的锅炉烟气含有大量的S02、N0x、NH3等多种有害组分，必须进行脱硫、脱硝等净化处理后才能达标排放。烟气排放连续监测系统 (CEMS, Continuous Emission Monitoring System)是指导电厂脱硫、脱硝系统闭环运行的重要监控设备，同时又是烟气排放的重要监测设备。随着我国节能减排工作的不断推进，气态污染物中S02、N0X, NH3等的排放浓度越来越低，尤其在低浓度测量时，水汽的吸收会给红外吸收光谱测量造成很大的测量误差，且水汽吸收会造成系统腐蚀带来备品备件的增加， 并且很难对上述多组分同时测量。因此传统的基于红外吸收光谱技术的适用于低湿、高硫的直接抽取冷干法已不再适合目前的高湿、低硫的工况。作为直接测量法中较有代表性的差分吸收光谱(Differential Optical Absorption Spectroscopy,下简称 D0AS)在大气痕量气体浓度监测和污染源烟气排放浓度的直接测量中获得了成功而广泛的应用。
对于基于DOAS技术的烟气浓度分析仪而言，光学系统是其中的核心模块，光学系统的灵敏度、信噪比等性能是提高DOAS分析仪的灵敏度和测量精度的关键。目前，利用单一探测器分时获取参考光强和透射光强的DOAS分析仪中，光学系统大多采用半透半反的设计方案，或在此基础上在镜片表面镀紫外增透膜，无论是参考光还是透射光，均需两次经过同一半透半反镜，光源发出的光在理论上最多只有四分之一的能量能进入光电探测器， 导致能量利用率低下；另外，光学设计大多没有考虑色差校正，对于能量型而非成像型系统而言，宽波段光束通过该光学系统时，将再次损失相当一部分能量，特别当光源的辐射光强度较弱或被测组分浓度较高或极低的情况下，进入光电探测器信号的信噪比明显降低，致使DOAS分析仪的灵敏度和测量精度过低，必须重新更换光源，致使光源的使用寿命较短。发明内容
本发明的目的在于提供一种用于检测气体组分含量的DOAS分析仪的高灵敏度光学系统，可大幅度提高光源的能量利用率，在同样光源强度下，进入光电探测器的光能量成倍增加，提高仪器的测量信噪比，延长光源的使用寿命。
本发明DOAS分析仪的高灵敏度光学系统，包含光源、准直透镜组、分光镜、透射光反射镜、聚焦透镜组、参考光反射镜、光纤、光纤光谱仪和活动挡板，所述准直透镜组和聚焦透镜组均分别由间隔一定距离的大、小两个透镜组成；准直透镜组和聚焦透镜组互为垂直设置，二者的光轴在大透镜一侧相交为光轴交点；所述光源和透射光反射镜分别位于准直透镜组两侧的光轴上，其中透射光反射镜位于所述光轴交点以外的位置；所述光纤一端位于聚焦透镜组的小透镜一侧光轴上，另一端与光纤光谱仪相连；所述参考光反射镜位于聚焦透镜组光轴的大透镜一侧的所述光轴交点之外位置；所述分光镜为镀有反射膜的矩形石英玻璃，它斜置在准直透镜组与聚焦透镜组相邻侧的二者光轴相交所成直角的角平分线上，即分光镜同时以45 角斜置在准直透镜组的一半出射光束及聚焦透镜组的一半入射光束的光路上；所述活动挡板可切换地挡在准直透镜组的另一半出射光束或聚焦透镜组的另一半入射光束的光路上。
所述准直透镜组和聚焦透镜组中的大、小各透镜均由熔融石英透镜与紫外级的氟化钙透镜复合并以隔圈固定而成。
所述分光镜为单面镀反射膜，且镀有反射膜的一面向着准直透镜组，未镀反射膜的一面向着聚焦透镜组。
所述分光镜处于准直透镜组光轴和聚焦透镜组光轴相交处的边缘加工成45 倒角，倒角面向着参考光反射镜方向。
所述透射光反射镜和参考光反射镜均为三面直角棱镜。
本发明的技术效果如下1、本光学系统中分光镜的设置方式使光源发出的光束有一半进入了参考光路，另一半进入了测量光路，在光源光强相同的条件下，极大的提高了通过光学系统的光能量，使DOAS 分析仪的灵敏度提高。分光镜单面镀反射膜可避免传统的双面镀膜因差异而引起的反射光光谱结构差异。
2、根据系统信噪比是有用光强信号与噪声的均方根之比值的原理，在积分时间及平均次数相同条件下，系统信噪比取决于光强度，而本光学系统的光能量得到提高，信噪比高，系统的测量精度也提高。
3、与普通的系统相比，采用本光学系统的DOAS分析仪具有较高的信噪比，在相同的光源辐射条件下，通过本光学系统的光能较强。在相同的测量精度要求下，本光学系统光源的使用寿命更长。
4、光路系统中无论是准直透镜组还是聚焦透镜组都采用了石英透镜和氟化钙透镜复合的结构，从而很大程度上消除了宽波段光束通过同种材料时由于折射率不同造成的色差问题，能进一步减少宽波段光束通过光学系统时因色差带来的能量损失，提高系统的灵敏度。


图1为本发明光学系统光路设计示意图。
图2为三面直角棱镜的立体结构示意图。
图3为基于本发明光学系统的DOAS分析仪的光机模块剖视图。
图中，1、光源发光点；2、灯泡玻璃壁面、3、准直透镜组；4、分光镜；5、参考光反射镜；6、透射光反射镜；7、聚焦透镜组；8、光纤；9、光纤光谱仪；10、挡板，11、准直透镜组光轴，12、聚焦透镜组光轴，13、三面直角棱镜，13-1、圆形底面，13-2、直角面；14、烟囱，15、探头，15-1、气体进样孔，A、挡板处于测量光路位置，B、挡板处于参考光路位置，0、光轴交点。
具体实施方式
图1是本发明光学系统实施例的光路示意图，光源1为氘灯。
如图1，准直透镜组3的光轴11与聚焦透镜组7的光轴12垂直相交成光轴交点0。准直透镜组3与聚焦透镜组7均由以一定间距同轴组装的大、小两个透镜组成，但两透镜组的大、小两个透镜距离不相同。上述两透镜组内的每个透镜均由相同直径的JGSl熔融石英弯月透镜和紫外级的氟化钙双凸透镜曲面相吻复合并通过隔圈固定成一体；分光镜4以一定厚度的石英玻璃为基底并单面镀反射膜。如图1所示，分光镜4位于准直透镜组3与聚焦透镜组7的相邻侧，并在准直透镜组光轴11和聚焦透镜组光轴12垂直相交而成的直角平分线上；即分光镜4同时以45 角斜置在透镜组3的一半出射光束及与之相交并相邻的聚焦透镜组7的一半入射光束的光路上。分光镜4单面镀有反射膜，镀反射膜的一面向着准直透镜组3，未镀反射膜的一面向着聚焦透镜组7。分光镜4处于准直透镜组光轴11 和聚焦透镜组光轴12相交处的边缘成45 倒角，倒角面向着参考光反射镜5的方向。活动挡板10由旋转电磁铁带动，可绕光轴交点0按45 角来回转动，交替地作为准直透镜组另一半光束及聚焦透镜组的另一半光束的挡光板，在二者之间切换位置。
图3是DOAS分析仪中的光机模块实施例的剖视结构图。
本实施例中，系统采用的最佳参数如下氘灯光源1发光点的大小为0. 5mm，灯泡壁2厚度为1mm，光源辐射波段范围为185 400nm。光源1发光点距准直透镜组3的第一片透镜的中心距离为53mm。准直透镜组3的两个透镜通过间距为23. 4mm的光学隔圈将二者装配在一个经过发黑的铝材镜筒内。准直透镜组3中，靠近光源1 一侧的透镜由球面半径分别为55. 78mm和33. 70mm、外圆直径为沈讓、中心厚度为3. 5mm的弯月石英透镜和球面半径均为33. 70mm且具有相同外圆直径的紫外级氟化钙双凸透镜利用曲面形状复合在一起。准直透镜组3中靠近分光镜4 一侧的透镜由球面半径分别为29. 31mm和77. 09mm、中心厚度8mm、外圆直径为32mm的紫外级氟化钙双凸透镜和球面半径分别为29. 31和144. ^mm、中心厚度为4mm且具有相同直径的弯月石英透镜利用曲面的现状复合在一起。聚焦透镜组7与准直透镜组3具有相同的结构，且两者光学镜片的参数相同，唯一的不同点在于前者光学隔圈的距离间隔为23. 08mm。聚焦透镜组7的聚焦点与聚焦透镜组7透镜最近的中心距为53. 98mm。
本系统中分光镜4为一矩形石英平板，其中长为39mm、宽为23mm、厚为4mm。为了尽量消除由于分光镜镀膜造成的参考光谱与吸收光谱结构上的差异，分光镜4迎着光源的一侧单面镀反射膜。分光镜4的下边缘成45 倒角，倒角面与准直透镜组3的光轴11重合。作为参考光反射镜5的三面直角棱镜(见图2)中，圆面13-1直径为25. 4mm,高度为 19. 05mm，光束偏转角为180 ，材料为JGSl。作为透射光反射镜6的三面直角棱镜13 (见图2)中，棱镜的圆面13-1直径为50. 8mm，高度为38. 1mm，光束偏转角及材料与参考光反射镜5相同。反射镜6装在探头15内，探头15设有被测气体进样孔15-1。光纤8为芯径 600 m的高透紫外光纤，光纤两端均为SMA905标准接头。
下面结合图1 图3说明本光学系统在烟气组分浓度测量中应用。
如图3，测量前将探头15从烟囱14的测量口径向插入烟囱内，烟气从烟囱14通过时也同时从探头15的气体进样孔15-1通过，探头15的气体进样区域内充满了烟气。
经准直透镜组3发出直径为30mm的平行光束，该平行光束经分光镜4后分成测量光和参考光两光束。
1.测量光束见图1和图2，测量光束是从准直透镜组3射出的直径为30mm的右半部半圆柱形平行光束。挡板10旋转至B状态时，半圆柱形的测量光束按原光路方向从探头15内的被测烟气中穿过，然后入射至透射光反射镜6，透射光反射镜6是如图2所示的三面直角棱镜，其由圆形底面13-1和三个直角面13-2组成；该三面直角棱镜6 (即透射光反射镜，下同)的对称轴与准直透镜组3的光轴11重合。测量光束经透射光反射镜6内部的三个直角面全反射后，即反向(沿图1中的光轴11的左侧)射至分光镜4 (未镀反射膜的一侧)，继而被其另一面所镀的反射膜反射后，沿分光镜4法线成45 角射出，即变成与入射光方向呈90 的平行光束向左进入聚焦透镜组7的上半部，被聚焦后进入透紫外的石英光纤8，通过光纤8 的传导作用再进入光谱仪9，光谱仪将载有烟气浓度的光信号转化为电信号，再经过一系列处理后变成数字量送入装有烟气浓度测量软件的计算机。
2.参考光束参考光束是从准直透镜组3射出的直径30mm的左半部半圆柱形平行光束入射到分光镜4 (该面镀有反射膜)，经分光镜4反射后，光线入射至参考光反射镜5的三面直角棱镜的上半圆面(参考光束射程内不存在烟气)，在挡板10旋转至A状态情况下，半圆柱形参考光束经该三面直角棱镜内部全反射后从参考光反射镜5的下半圆面沿着与聚焦透镜组7光轴 12平行的方向向左入射至聚焦透镜组7，平行光线经透镜组7聚焦后进入透紫外的石英光纤8，通过光纤8将不包含任何被测对象浓度信息的参考光送入光谱仪9。利用该参考光和测量光可进行烟气浓度计算。
本光学系统的光路中设有挡板10，在计算机指令控制的旋转电磁铁带动下，挡板 10可在图1中的位置A和位置B之间进行切换，使参考光和测量光交替工作，实现利用光纤光谱仪9对参考光和测量光进行分时测量。
本光学系统中，光源1发出的光分成了两路一路为不经过被测气体而直接进入光电探测器9获得的参考光强；另一路为先经过被测气体(即从探头15中经过)再进入光电探测器9获得的测量光强，随后用基于Lambert-Beer定律的数学模型进行烟气(被测气体) 中某成分浓度计算。
权利要求
1.D0AS分析仪的高灵敏度光学系统，其特征是包含光源、准直透镜组、分光镜、透射光反射镜、聚焦透镜组、参考光反射镜、光纤、光纤光谱仪和活动挡板，所述准直透镜组和聚焦透镜组均分别由间隔一定距离的大、小两个透镜组成；准直透镜组和聚焦透镜组互为垂直设置，二者的光轴在大透镜一侧相交为光轴交点；所述光源和透射光反射镜分别位于准直透镜组两侧的光轴上，其中透射光反射镜位于所述光轴交点以外的位置；所述光纤一端位于聚焦透镜组的小透镜一侧光轴上，另一端与光纤光谱仪相连；所述参考光反射镜位于聚焦透镜组光轴的大透镜一侧的所述光轴交点之外位置；所述分光镜为镀有反射膜的矩形石英玻璃，它斜置在准直透镜组与聚焦透镜组相邻侧的二者光轴相交所成直角的角平分线上，即分光镜同时以45°角斜置在准直透镜组的一半出射光束及聚焦透镜组的一半入射光束的光路上；所述活动挡板可切换地挡在准直透镜组的另一半出射光束或聚焦透镜组的另一半入射光束的光路上。
2.根据权利要求1所述的DOAS分析仪的高灵敏度光学系统，其特征是所述准直透镜组和聚焦透镜组中的大、小各透镜均由熔融石英透镜与紫外级的氟化钙透镜复合并以隔圈固定而成。
3.根据权利要求2所述的DOAS分析仪的高灵敏度光学系统，其特征是所述分光镜为单面镀反射膜，且镀有反射膜的一面向着准直透镜组，未镀反射膜的一面向着聚焦透镜组。
4.根据权利要求1或2或3所述的DOAS分析仪的高灵敏度光学系统，其特征是所述分光镜处于准直透镜组光轴和聚焦透镜组光轴相交处的边缘加工成45°倒角，倒角面向着参考光反射镜方向。
5.根据权利要求4所述的DOAS分析仪的高灵敏度光学系统，其特征是所述透射光反射镜和参考光反射镜均为三面直角棱镜。
全文摘要
本发明涉及用于气体浓度检测的DOAS分析仪的高灵敏度光学系统，互为垂直设置的准直透镜组和聚焦透镜组的两光轴在大透镜一侧相交为光轴交点；准直透镜组两侧的光轴上分别设有光源和透射光反射镜；聚焦透镜组两侧光轴上分别设有光纤光谱仪和参考光反射镜；镀有反射膜分光镜位于准直透镜组与聚焦透镜组相邻侧的二者光轴相交所成直角的角平分线上，分光镜同时以45o角斜置在准直透镜组的一半出射光束及聚焦透镜组的一半入射光束的光路上，两透镜组的另一半光束上设有可互相切换位置的活动挡板。由光源发出的光束一半进入参考光路，另一半进入测量光路。相同光源辐射条件下，通过本光学系统的光能较强，信噪比高，测量精度也提高。
文档编号G01N21/31GK102495010SQ20111037080
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者凌雁波, 张西谋, 曲震, 汤光华, 王新培, 苗丰, 许明扬, 陈书建, 陈祥 申请人:南京国电环保设备有限公司