模块化傅里叶红外气体分析系统设计

张奥男 吴 轲

（重庆川仪自动化股份有限公司技术中心，重庆401121）

随着中国经济的持续快速发展, 城市进程和工业化进程的不断增加,环境污染日益严重,国家对环保的重视程度也越来越高。在这种严峻的形势下，国家重拳出击，陆续出台和修改了一系列行业标准，例如《环境空气质量标准》[1]、《锅炉大气污染物排标准》[2]。目前现有技术条件下，傅里叶红外气体分析技术具备可测量谱带宽、光谱分辨率高、信噪比高、扫描速度快等特点，可以对多组分气体进行实时、在线、连续和无人值守的监测。对此，中国环保协会出台了《挥发性有机组分便携式傅里叶红外监测仪》[3]环保产品实施规则，国家也发布了《环境空气和废气挥发性有机物组分便携式傅里叶红外检测技术要求及检测方法》[4]，从而让该技术更好的应用在气体检测领域。

由于气体的红外谱峰多，重叠严重，因此需要有较高分辨率和灵敏度的分析方法，傅里叶红外（FTIR）光谱与长光程联用技术具有一般方法无可比拟的优点。加上样品处理和差谱、最小二乘拟合等谱图解析技术，使其成为气体分析的有力手段。目前己经广泛应用在高海拔大气污染物测量、有毒气体自动识别、热耗气体测量、温度及燃烧产物的测量等。随着FTIR 技术和计算机技术的不断发展，FTIR 技术在环境检测方面还有着更广阔的应用前景。而由于我国内现有研发及加工能力不足，许多傅里叶红外气体分析系统都是整机进口，元件高度集成，不可广泛适配。厂家有意设置技术壁垒，导致设备调试难度加大，维修更换成本增高。针对此现象，用模块化的方式组成核心结构，结合自由光长光程多反射气室进行光学仿真，从而可以用该系统开发更灵活的红外气体分析设备,自由适配多种规格气室。大大降低了安装调试难度及更换维修成本。

1 气体分析系统检测原理

模块式傅里叶红外气体分析系统由光源、检测器、干涉仪、气室、软硬件等模块构成。工作原理是基于被测气体对红外光的选择性吸收。傅里叶红外气体分析系统常用的工作波段为2～12um。简单说就是将被测气体连续不断的通过一定长度和容积的容器，然后依据红外光的吸收与吸光物质的浓度成正比就可知道被测气体的浓度。该方法即采用朗伯比尔定律：

A=kcd=lg（I/I0）

A 表示吸光度，k 表示光被吸收的比例系数，c 为样品浓度，d 为光程。I0为入射光强度，I 为出射光强度。

2 系统总体架构

傅里叶红外气体分析系统常用工作波段为2-10um，精度根据各气体组分浓度，可选分辨率16cm-1以下。系统总体设计由干涉仪模块、转接模块、气室模块、检测器模块、光源模块、主板硬件模块、软件模块构成。

2.1 光源模块的选择：本系统用于分析CO、CO2、SO2、NOX 等十余种气体。根据分析待测气体的吸收峰，并参照PROTEA、BRUKER 等傅里叶红外产品所用光源，因此选用光源为中红外波段2-10um 空气冷却硅碳棒光源。该光源原理为硅碳棒（SiC碳化硅）通电加热发光，原理简单应用可靠。

2.2 干涉仪模块的选择：根据工作波段可选市场上现有的ARCoptix FT-IR Rocket 干涉仪。由于其永久对准的角镜结构和固态参考激光，ARCoptix FT-IR Rocket 干涉仪在强度和波长尺度上都具有极好的稳定性。它具有4cm-1的高分辨率、可拆卸光纤耦合器，用于光纤或自由空间红外光束，自由空间具有准12.7mm 准直出入口（最大30mrad 半角度）。以此保障对任意外接气室和光源具有更高的匹配性能。

2.3 检测器模块的选择：检测器用于检测干涉光通过试样后剩余能量的大小，要求具有较高的灵敏度、较快的响应速度和较宽的响应波数范围。目前中红外光谱常用的检测器主要有DTGS 检测器和MCT 检测器。MCT 检测器使用的波数范围比DTGS 检测器窄一些，但灵敏度和响应速度都比DTGS 检测器好，可是使用不方便，需要液氮冷却。因此选用DTGS 检测器。

3 转接及气室模块设计

转接及气室模块需要主动适配光源和检测器，以便自由更换。因此在气室和转接模块的设计上应考虑能满足自由适配的性能。因此设计了可供自由光出入长光程多反射气室，设计上采用怀特池结构，选用参数一致的三个球面镜实现。具体参数计算过程如下：测得干涉仪出口准直光束准25mm，灯丝直径：d=4mm，灯丝聚焦镜fo=40mm，fi=62.3mm。由上述参数计算输出聚焦光斑:发散半角：θ=atan(25/2/98)=7.4°光斑直径：D=d*(fi/fo)*(f2/f1) = 12mm。由聚焦光斑的大小确定气室出入口光斑直径12mm。气室采用基长180mm 的反射结构，配合可调角度的共轭反射镜。通过调节反射镜之间的夹角，可以实现任意光程的调整，从而满足不同的检测精度。根据仿真结果可以算出当反射次数达到1、5、9、12、13、17 次时，可以满足光路从气室出口上部顺利输出（表2）。怀特池结构相比于光纤或激光准直的方式，具有更大的容错空间。即使更换检测器或者光源，依然可以保证光路可以匹配。而在气室的出入口，采用非曲面的铝合金反射镜作为转接模块，通过调节反射镜的夹角，实现气室和干涉仪、检测器之间的光路转接。

表1 被测气体常用吸收峰

表2 反射次数与光路仿真结果统计表

4 软硬件模块设计

基于光源和干涉仪、检测器的输入输出接口设计硬件，通过算法处理，校正干涉图数据点采集漂移引起的相位误差，校正干涉图余弦分量相位滞后引起的相位误差，随后通过傅里叶变换输出光谱图用于气体分析。

结束语

本文设计了一种模块化的傅里叶红外气体分析系统，在该系统中仅需对转接组件及软硬件进行简单调试，即可实现光源模块、检测器模块、干涉仪模块的自由匹配。同时也提供了自由光长光程气室的设计思路，采用自由光长光程的气室，通过怀特池的结构可以灵活的匹配不同规格的输入输出光路。应用以上模块化系统设计方案，在搭建傅里叶红外系统中可以大大降低调试难度，