CN104198426A - 非色散红外传感器系统中漫反射光气体吸收计算模型 - Google Patents

Abstract

本发明是一种非色散红外传感器系统中漫反射光气体吸收计算模型。本发明以圆腔型气室内壁漫反射非色散红外传感器中光源所发出的漫反射非平行光的路径和路程为研究对象，根据光源所发出的漫反射光，从中选择有用光路，逐束分解为多段分段平行光，分析光程长度，首先建立单束有用等效平行光光程计算模型，其次对每束单束有用等效平行光应用朗伯比尔定律，建立气体光谱吸收计算模型。最后对全部单束有用等效平行光吸收计算进行数值求和，从而建立全部有用光的光谱吸收计算模型，该模型就是所提出的非色散红外传感器系统中漫反射光气体吸收计算模型，相对于传统的计算方法，提高了计算精度。

Description

非色散红外传感器系统中漫反射光气体吸收计算模型

技术领域

本发明是一种非色散漫反射红外光谱吸收测量定量分析中非平行光条件下的气体光谱吸收的计算模型。

背景技术

常用的非色散漫反射红外光谱吸收测量定量分析模型是朗伯比尔定律，但是这种方法只适用平行光的计算。而在圆腔型气室内壁漫反射非色散红外传感器系统中，从光源发出的光的一部分被散射，一部分直射，一部分漫反射。如果采用朗伯比尔定律来作定量分析的依据，只能取直射光作为有用光程，忽略了其它的有用光程的影响，这样会导致一定程度的误差，所以，在圆腔型气室内壁漫反射非色散红外传感器系统中使用朗伯比尔定律存在相对计算精度不高的问题。因此，本发明提出了一种新的模型，用以解决上述问题。

发明内容

针对朗伯比尔定律存在的不能解决非平行光的计算而导致的相对计算精度不高的问题，本发明所采用的技术方案是：以圆腔型气室内壁漫反射非色散红外传感器光源所发出的漫反射非平行光的路径和路程为研究对象，根据光源所发出的漫反射光，从中选择有用光路，逐束分解为多段分段平行光，分析光程长度，首先建立单束有用等效平行光光程计算模型，其次对每束单束有用等效平行光应用朗伯比尔定律，建立气体光谱吸收计算模型。最后对全部单束有用等效平行光吸收计算进行数值求和，从而建立全部有用光的光谱吸收计算模型，该模型就是所提出的非色散红外传感器系统中漫反射光气体吸收计算模型。

本发明的增益效果是：利用推导出的模型可以解决非色散漫反射非平行光条件下的气体光谱吸收的计算问题，相对传统的计算方法，提高了计算精度。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是圆腔型气室内壁漫反射光路剖面示意图。

图2是任意抽取的一条有用光的光路示意图。

图3是分段平行光光路示意图。

图中标号：1.光源，2.探测器。

具体实施方式

本发明以圆腔型气室内壁漫反射非色散红外传感器中的光源所发出的的漫反射非平行光光路和光程为研究对象，如图1所示，圆腔型气室内壁漫反射非色散红外传感器一般由红外光源、圆腔吸收池、滤光片和探测器等相关器件组成。红外光源为理想点光源，发出的光各个方向都很均匀，发出的每束有用光强为I₀₀、I₀₁、I₀₂、……I_0n,通过吸收池后达到探测器的光的强度分别为I₁₀、I₁₁、I₁₂、……I_1n，且各自相等，具体如图3所示；光源发出的有用光强度总和I₀，经过吸收池后探测器接收到的有用光强度总和为I₁；吸收池吸收池长度为L，内腔直径为D，内腔处反射均匀，反射系数为

在漫反射非平行光的所有光束中，能够直接照射或经多次反射后照射到探测器的光束为有用光束，而照射不到探测器的光束，不用考虑。在有用的光束中，能照射到探测器的主要光束是直射光和反射光，散射光的影响可以忽略不计。因为对于直射光束可以采用传统的朗伯比尔定律来计算，所以只要解决反射光的气体光谱吸收的计算，就能解决整个问题。从图1中任意抽取一条经i次反射后到达探测器的光路i，其路径如图2所示，由光的反射定律可知：

为了计算出第i条光束每一次反射的一段光路长度K_i，先算出它的入射角度：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_0=0(i=0)\\ {\mathrm{\θ}}_i={\tan }^{-1}\frac{D}{2W_i}(i\≥1)\end{array}\right.---\left(2\right)$

可得:

$K_i=\frac{W_i}{\cos {\mathrm{\θ}}_i}\frac{W_i}{\cos \left({\tan }^{-1}\frac{D}{2W_1}\right)}---\left(3\right)$

根据K_i可计算得到第i条光束的光路长度：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_i=L(i=0)\\ L_i=2i{K}_i(i\≥1)\end{array}\right.---\left(4\right)$

由于经过反射后到达探测器的光都是分段平行的，所以可以把这些光等效为平行光，以下简称等效平行光，如图3所示。由于在每一个平行段上其吸收服从朗伯比尔定律，所以等效平行光的光谱吸收的计算依然服从朗伯比尔定律。

在同一条件中，同一种待测气体对同一光源，吸收系数ω不变。如图3所示，对于分段平行光i，假设光源的初始入射光强为I_0j，经过第一段路径后到达第一个反射点光强变为I₁，该光束在第一个反射点经反射后变为第二段平行光的入射光，由于反射的时候有衰减，设为反射衰减系数，所以光强变为该光强经过第二段后出射光强度变为I₂，如此往复，最后到达探测器前的光强为I_1i，c为未知的待测气体浓度。对于第一、二、三、……段平行光，根据朗伯比尔定律，再将各段相加可得第i条有用等效平行光光束的气体光谱吸收模型：

其中，ω为吸收系数,为吸收池内腔反射系数，I_1i、I_0i分别为第i条有用光的出射光强与入射光强。L_i是第i条有用光束的光程长度，c为被测气体浓度。

对包括中心直射平行光在内的所有有用等效平行光光束，使用朗伯比尔定律，采用数值求和方法，可得：

其中I₁、I₀为气室壁漫反射式非分光红外传感器系统中光源总出射光强和入射光强,n→+∞,为正整数。式(6)就是非色散红外传感器系统中漫反射光气体吸收计算模型，它可以解决非平行光条件下的光谱吸收的计算问题。,相对朗伯比尔定律，提高了计算精度。

Claims (4)

1.一种非色散红外传感器系统中漫反射光气体吸收计算模型，其特征是：以圆腔型气室内壁漫反射非色散红外传感器中光源所发出的漫反射非平行光的路径和路程为研究对象，将有用光路逐束分解为多段分段平行光，分析光程长度，首先建立单束有用等效平行光光程计算模型，其次对每束单束有用等效平行光应用朗伯比尔定律，建立气体光谱吸收计算模型。最后对全部单束有用等效平行光吸收计算进行数值求和，从而建立全部有用光的光谱吸收计算模型，该模型就是所提出的非色散红外传感器系统中漫反射光气体吸收计算模型。

2.根据权利要求1所述的分析模型，其特征在于：所建立的单束有用等效平行光光程的计算模型是:L_i＝2iK_i(i≥1)，L_i＝L(中心平行光)(i＝0)，其中L_i是第i条(即在圆腔型气室内壁漫反射非色散红外传感器中的吸收池中反射了i次)有用等效平行光光束的光程长度，K_i是每一次反射的一段光路长度，L为吸收池的长度。

3.根据权利要求1和2所述的分析模型，其特征在于：在建立单束有用等效平行光光程的计算模型后，对第i条有用光束使用朗伯比尔定律，可得单束有用等效平行光的气体光谱吸收计算模型：

其中I_1i、I_ij分别为第i条有用光束的出射光强与入射光强，c为未知的待测气体的浓度，ω为吸收系数，为吸收池内腔反射系数，

4.根据权利要求1、2和3所述的分析模型，其特征在于：在建立了任一条单束有用等效平行光的气体光谱吸收的计算模型后，利用数值求和，对于包括平行光在内的所有有用光束，使用朗伯比尔定律，得到的全部有用光路的气体光谱吸收模型为：

其中I₁、I₀为圆腔型气室内壁漫反射非色散红外传感器系统中光源总出射光强和入射光强,n→+∞,为正整数。