專利名稱：波長調(diào)制光譜方法
技術領域：
一般來說，本發(fā)明涉及光譜學，更具體來說，涉及波長調(diào)制光譜方法和設備。
背景技術：
近年來，波長調(diào)制光譜已經(jīng)成為基于激光的氣體分析器的主流技術。在波長調(diào)制光譜中，以某個頻率If對激光進行波長調(diào)制，激光經(jīng)過樣本，并且樣本的透射系數(shù)通過相敏檢測以調(diào)制頻率的某個諧波來解調(diào)，以便產(chǎn)生諧波譜。二次諧波2f主要選擇用于解調(diào)頻率。相敏檢測是有效噪聲降低技術，并且使波長調(diào)制光譜成為極靈敏方法。諧波譜信號幅值反映樣本中吸收分析物的濃度。具體來說，對于2f，2f譜的峰值高度對于某個范圍內(nèi)的分析物濃度是線性的。這種線性度是當前2f氣體分析的基礎。波長調(diào)制光譜在傳統(tǒng)上是基于透射的，S卩，通過對樣本的透射系統(tǒng)進行解調(diào)來生成諧波譜。由于是基于透射的，所以諧波譜信號幅值對于分析物濃度固有地是非線性的， 并且僅當分析物濃度很低以使得吸收率小于0. 05時才能夠被認為對于分析物濃度是線性的。因此，利用波長調(diào)制光譜的氣體分析器具有通常小于十的二次冪(102)的窄動態(tài)范圍。 在動態(tài)范圍之外，諧波譜信號幅值對于分析物濃度是非線性的。補償這種非線性度要求費力的校準過程。另外，可調(diào)二極管激光波長調(diào)制光譜氣體分析器不僅涉及激光波長調(diào)制，而且還涉及激光強度調(diào)制，這使所產(chǎn)生諧波譜不對稱和復雜化，并且使得難以解釋。因此，需要一種能夠克服這些問題和缺點的波長調(diào)制光譜方法和設備。

發(fā)明內(nèi)容
在光譜方法的一個實施例中，該方法包括下列步驟以調(diào)制幅度和調(diào)制頻率來調(diào)制單色輻射的波長；確定表示樣本中分析物的吸收率的第一變量；以及通過相敏檢測以調(diào)制頻率的諧波對第一變量進行解調(diào)，以便產(chǎn)生分析物的諧波譜。在光譜設備的一個實施例中，該設備包括激光二極管，與第一光電檢測器集成， 第一光電檢測器配置成檢測來自激光二極管的后向發(fā)射的強度并且充當參考檢測器；第二光電檢測器，配置成檢測離開樣本的激光輻射的強度；以及耦合到激光二極管和光電檢測器的電子電路，該電子電路配置成獲取和處理樣本的譜。在另一個實施例中，光譜設備包括分束器，配置成將激光輻射分為第一輻射部分和第二輻射部分；以及第一光電檢測器， 配置成檢測第一輻射部分的強度。


圖1示出本發(fā)明的一個實施例中波長調(diào)制光譜設備的組件圖。圖2示出本發(fā)明的一個實施例中基于吸收率的波長調(diào)制光譜濕度計的動態(tài)范圍的一個示例。圖3示出本發(fā)明的一個實施例中由基于吸收率的波長調(diào)制光譜設備所記錄的基于吸收率的2f線形狀的一個示例。圖4示出本發(fā)明的一個實施例中基于吸收率的波長調(diào)制光譜的方法的流程圖。附圖不一定按照比例繪制，重點而是一般在于說明本發(fā)明的原理。附圖中，相似的標號用于在各個視圖中通篇表示相似的部分。
具體實施例方式在本發(fā)明的一個實施例中，提供一種波長調(diào)制光譜設備，其組件圖如圖1所示。該設備能夠包括單色輻射發(fā)射裝置115，它在一個實施例中能夠由激光發(fā)射裝置來提 供。該設備還能夠包括使單色輻射125準直的準直儀130 ；窗口 132，其透射單色輻射125但阻止分析物進入腔室142;吸收單元110，其包含樣本并且經(jīng)由樣本入口 112和樣本出口 114來傳導樣本；在吸收單元110的端部的反射鏡135，其能夠通過窗口 132將單色輻射125的至少一部分反射到腔室142 ；以及光電檢測器140，其能夠檢測離開吸收單元110的單色輻射 125的強度。在本發(fā)明的一個實施例中，單色輻射發(fā)射裝置115能夠由激光二極管來提供。激光二極管能夠與熱電冷卻器(TEC)、溫度傳感器以及能夠檢測來自激光二極管的后向發(fā)射的強度的光電檢測器集成。對于特定激光二極管，主激光束的強度和后向發(fā)射的強度的比率是恒定的。因此，后向發(fā)射的強度能夠表示進入樣本的光強度，并且能夠用作某些光譜應用的參考。將內(nèi)置光電檢測器用作參考檢測器存在若干優(yōu)點，包括節(jié)省成本、簡化系統(tǒng)設計以及所產(chǎn)生系統(tǒng)的改進可制造性和穩(wěn)定性。在本發(fā)明的另一個實施例中，能夠采用外部參考光電檢測器145，作為內(nèi)置光電檢測器的補充或替代。如圖1所示，分束器150能夠配置成分離單色輻射束125。單色輻射 125的一部分能夠由與單色輻射發(fā)射裝置115分開的參考光電檢測器145來檢測，而單色輻射125的另一個部分能夠進入吸收單元110。分束器150能夠由未涂層玻璃板或楔(wedge) 來提供，它在一個實施例中能夠反射入射單色輻射強度的大約5 %，并且能夠透射入射單色輻射強度的大約90%。由參考光電檢測器145所檢測的單色輻射125的強度能夠表示進入樣本的單色輻射125的強度。這種配置能夠適合于例如如下的光譜應用，其中具有內(nèi)置光電檢測器的單色輻射發(fā)射裝置115不是容易地可用于預期單色輻射波長、其中優(yōu)選外部參考光電檢測器145或者其中需要監(jiān)測泄漏到腔室142中的分析物濃度以確保數(shù)據(jù)完整性。 激光二極管與內(nèi)置光電檢測器之間的吸收路徑長度可能過度受到限制(例如大約Imm)而不能產(chǎn)生可能已經(jīng)進入激光室142的分析物的有意義譜，除非分析物濃度比較高。單色輻射發(fā)射裝置115與外部參考檢測器145之間的較大距離能夠允許對分析物可能泄漏到腔室 142中進行檢測。在一個實施例中，該設備能夠包括電子電路165，它能夠配置成生成驅(qū)動激光二極管并且通過驅(qū)動電路120來控制激光溫度的驅(qū)動波形；對光電檢測器信號進行預放大、 獲取和處理以生成譜；在需要時從分別測量樣本壓力和溫度的壓力傳感器155和溫度傳感器160獲取樣本壓力和溫度信息，以及在需要時從樣本的所測量譜、壓力和溫度來確定分析物濃度。在一個實施例中，該設備還能夠包括顯示器180、鍵盤175和一個或多個I/O接 Π 170。
該設備能夠配置成執(zhí)行直接吸收率光譜測量或諧波光譜測量。與單個光電檢測器設備相對照，具有參考檢測器的優(yōu)點包括消除共模噪聲以及消除可能不利地影響準確性的對近似計算入射單色輻射強度的需要。該設備不一定要求平衡測量和參考信道，并且因而能夠使用費用不太高的分束器150，例如常規(guī)玻璃板或楔，或者更便利地，當單色輻射由激光二極管來提供時，把來自激光二極管的后向發(fā)射作為參考。在本發(fā)明的另一個實施例中，提供一種基于吸收率的波長調(diào)制光譜方法，其中能夠?qū)颖镜奈章蕡?zhí)行相敏解調(diào)。在光譜學中，吸收率A定義為
權利要求
1.一種光譜方法，包括下列步驟以調(diào)制幅度和調(diào)制頻率調(diào)制單色輻射的波長； 確定表示樣本中分析物的吸收率的第一變量；以及通過相敏檢測以所述調(diào)制頻率的諧波對所述第一變量進行解調(diào)，以便產(chǎn)生所述分析物的諧波譜。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述單色輻射由激光器來提供。
3.如權利要求1所述的方法，其中，所述第一變量通過所述樣本中所述分析物的吸收率來提供，并且基于離開所述樣本的所述單色輻射的強度和進入所述樣本的所述單色輻射的強度。
4.如權利要求1所述的方法，其中，所述第一變量通過具有DC偏移的所述樣本中所述分析物的吸收率來提供，并且基于離開所述樣本的所述單色輻射的強度以及與進入所述樣本的所述單色輻射的強度成比例的第二變量。
5.如權利要求4所述的方法，其中，與離開所述樣本的所述單色輻射的所述強度同時確定所述第二變量。
6.如權利要求4所述的方法，其中，在確定離開所述樣本的所述單色輻射的所述強度之前確定所述第二變量。
7.如權利要求1所述的方法，其中，所述諧波是所述調(diào)制頻率的二次諧波。
8.如權利要求1所述的方法，其中，所述諧波譜的幅值與所述樣本中所述分析物的濃度線性相關。
9.一種光譜設備，包括與第一光電檢測器集成的激光二極管，所述第一光電檢測器配置成檢測來自所述激光二極管的后向發(fā)射的強度，并且充當參考檢測器；第二光電檢測器，配置成檢測離開樣本的激光輻射的強度；以及耦合到所述激光二極管以及所述第一和第二光電檢測器的電子電路，所述電子電路配置成獲取和處理所述樣本的譜。
10.如權利要求9所述的光譜設備，其中，所述激光二極管還與熱電冷卻器和溫度傳感器集成。
11.如權利要求9所述的光譜設備，其中，所述設備配置成執(zhí)行下列至少一個直接吸收率光譜測量和諧波光譜測量。
12.一種光譜設備，包括激光發(fā)射裝置，配置成發(fā)射激光輻射；分束器，配置成在所述激光輻射進入樣本之前將所述激光輻射分為第一輻射部分和第二輻射部分；第一光電檢測器，配置成檢測所述第一輻射部分的強度； 第二光電檢測器，配置成檢測離開所述樣本的所述第二輻射的強度；以及耦合到所述激光發(fā)射裝置以及所述第一和第二光電檢測器的電子電路，所述電子電路配置成獲取和處理所述樣本的譜。
13.如權利要求12所述的光譜設備，其中，所述激光發(fā)射裝置由激光二極管來提供。
14.如權利要求12所述的光譜設備，其中，所述設備配置成執(zhí)行下列至少一個直接吸收率光譜測量和諧波光譜測量。
全文摘要
在光譜方法的一個實施例中，該方法包括下列步驟以調(diào)制幅度和調(diào)制頻率來調(diào)制單色輻射的波長；確定表示樣本中分析物的吸收率的第一變量；以及通過相敏檢測以調(diào)制頻率的諧波對第一變量進行解調(diào)，以便產(chǎn)生分析物的諧波譜。在光譜設備的一個實施例中，該設備包括激光二極管，與第一光電檢測器集成，第一光電檢測器配置成檢測來自激光二極管的后向發(fā)射的強度并且充當參考檢測器；第二光電檢測器，配置成檢測離開樣本的激光輻射的強度；以及耦合到激光二極管和光電檢測器的電子電路，配置成獲取和處理樣本的譜。在另一個實施例中，光譜設備包括分束器，配置成將激光輻射分為第一輻射部分和第二輻射部分；以及第一光電檢測器，配置成檢測第一輻射部分的強度。
文檔編號G01N21/27GK102177423SQ200980140611
公開日2011年9月7日 申請日期2009年9月17日 優(yōu)先權日2008年10月10日
發(fā)明者A·科瓦爾, D·M·斯蒂爾恩斯, G·S·伯科維奇, H·李, J·M·普爾, M·J·加姆布扎, S·D·維赫, Y·黃, 劉效庸 申請人:通用電氣基礎設施傳感公司