小型红外CO2气体分析仪

　　1　引　　言

　　红外CO2气体分析仪由于具有测量范围宽、灵敏度高、响应速度快等优点而广泛应用于工业、农业、航空航天等领域[1]。

　　传统的红外CO2气体分析仪多采用时间双光路结构。该结构是指从光源发出的红外光束只有一束,但对探测器来说还是接收两个不同的波长,只是到达探测器的时间不同而已。时间上的双光路是利用旋转调制盘上的能通过不同波长的干涉滤光片来实现的。旋转调制盘的使用使得系统在有些场合不稳定,甚至给系统带来了安全隐患。同时,通过旋转调制盘的旋转而获得的两个光强信号不具有同时性,这使得时间双光路的参比作用降低,分析仪的精度难以提高[2-3]。除此之外,气泵的引入不仅增加了系统的体积、重量与功耗,而且也降低了系统工作的可靠性[4-5]。

　　空间双光路结构是指从光源发出两路彼此平行的红外光束,经过相同的几何光路同时进入探测器的两窗口进行测量。该结构不含旋转调制盘,从而可以避免时间双光路结构所带来的一系列问题,但现有的空间双光路大多数结构复杂,对加工、装配工艺要求较高,很难产品化[6]。本文提出了一种新型红外CO2气体分析仪,该分析仪可以有效克服以往红外CO2气体分析仪中存在的问题,而且结构简单,便于产品化。下面介绍该分析仪的光学探头结构、系统的设计及实验结果。

　　2　光学探头

　　2.1　空间双光路光学结构

　　CO2气体对4.26μm波段的红外光强烈吸收,而对4.0μm波段的红外光几乎不吸收[6]。空间双光路结构正是根据CO2气体这一吸收特性设计的,该结构在确保分析仪有较高精度和较好稳定性的同时,也使得分析仪的小型化成为可能。

　　该分析仪的空间双光路光学探头结构如图1所示。红外光源和红外接收器件分别安装在气室的两端,并由蓝宝石窗片将这两光学器件与气室隔离,以防止被玷污。红外光源后面有抛物面反光镜无窗封装,该装置使得红外光源发出的边缘光损失减小,大大提高了轴向光强。红外接收器件是由两个表面分别贴有4. 26μm和4.0μm滤波片的完全相同的热释电探测器所集成的。红外光源、红外接收器件以及气室的中心轴安装在同一直线上,整个光学探头无活动部件。

　　该分析仪的空间双光路光学结构的光谱传输特性如图2所示。红外光源发出了波长范围为2~20μm的红外光,其中4. 26μm波段的红外光被CO2气体强烈吸收,未被吸收的该波段红外光透过在4. 26μm附近透射的测量滤波片,由测量探测器测出其光强。而4.0μm波段的红外光在穿过气室的整个过程中几乎未被CO2气体吸收,透过在4. 0μm附近透射的参考滤波片,由参考探　　测器测出其光强。具体的光路为:红外光源发出一束接近平行的红外光束进入气室,通过气室后直接到达红外接收器件,其中到达测量探测器的光路称为测量光路,到达参考探测器的光路称为参考光路。