一种红外检测气室结构的设计和优化

　　0　引言

　　在红外检测系统中,主要利用待测样品在近红外或中红外的吸收谱特性,实现对待测样品的测定,近年来该技术已取得较大的进展[1-2]。红外气体检测[3-4]作为红外检测的一个主要分支,其传感部分主要包括红外发射系统、气室以及光电转换装置,而气室结构的选择和设计是提高检测精度和灵敏度的关键环节,需要根据光源和探测器的特性择优选取。

　　普通的气室分为两大类:透射型吸收气室和反射型吸收气室。当用窄带光源测量气体吸收时,透射型气室容易产生相干噪声,从而影响系统的灵敏度[5],而反射型气室因为其反射光路容易产生干涉噪声,对系统灵敏度也有一定的影响[6-7]。鉴于以上气室存在的缺点,本文设计了一种使用椭球体反射镜的新型气室结构,该结构尤其适用于发散角较大的发射光源。本文讨论了椭球体形状对探测器接收光强的影响,建立了气室结构的理论模型,给出了接收光强的具体表达式;为了增大接收光强,优化了椭球体结构参数;最后通过实验证明了该结构对探测器信号的增强作用。

　　1　模型建立及分析

　　鉴于透射型及反射型气室灵敏度低的问题,所设计的新型气室结构如图1所示,光源与探测器分别放置在椭球体反射镜的左右焦点上,根据椭球体相关知识可知,光源发出到达反射镜的光线经反射聚焦后会落在探测器上,因此能大大提高光线的汇聚能力,有利于提高探测器的灵敏度。

　　1.1　光路模型

　　图2所示为椭球体反射镜光路模型,MN及M′N′为椭球反射镜的沿长轴的截面边线,探测器PP′与辐射光源分别放置在椭圆的左右焦距点A与B处,滤光片放置在探测器前端NN′处,如图所示。为方便分析求解,设该球体长轴为2a,短轴为2b,焦距为2c,探测器的直径为d,光源的平面发散角为φ,一般φ<π。

　　由图示光路模型可知,探测器接收到的光强由椭球镜反射光强和直接入射光强两部分组成,如图中光线lr和ld所示,考虑到探测器接收到的光强是椭球体内部所有反射光和直射光的光强之和且可等效为所有截面内光强的叠加,因此可仅取一个截面内的探测器接收光强进行分析。

　　1.2　反射光强

　　由光源发出经椭球内表面反射后透过滤光片入射到探测器的光线角度范围为∠MBN和∠M′BN′,由于这两部分完全对称,可只分析上部分反射光强。以∠MBN内任一束光线lr为例,设该光线与x轴负向夹角为θ,经椭球镜反射后的光线与x轴正向夹角为β。

　　令g为甲烷气体的吸收系数,C为甲烷气体浓度,光源发出的初始光强为I0,由朗伯-比尔方程[8]可知,到达球面Q点的光强