[发明专利]一种气体近红外光谱分析检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体检测的近红外光谱检测方法，这种方法可应用于检测气体的近红外光纤智能传感器

背景技术

由于气体分子对辐射光波的吸收具有选择性，特定的气体吸收特定波长的光波，大多数气体在近红外区有特殊的吸收谱，且气体对光的吸收程度与其浓度有关，因此，近红外光(near infrared ray：NIR)被用来作为气体物质的定性和定量分析，这就是光谱分析。NIR光谱分析仪按其光源分有滤光片型、LED型，光栅色散型、傅里叶变换型，声光可调滤光型和阵列检测器型仪器，以及基于DFB激光器的近红外光纤传感器。近红外气体光谱分析仪无不是基于气体吸收的朗伯--比尔(Lambert-Beer)吸收定律。朗伯比尔定律描述如下：

当红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长的红外光有吸收，光强在气体介质中随浓度c及光穿过气体光程L按指数规律衰减。吸收系数取决于气体特性，各种气体的吸收系数α(λ)互不相同。朗伯比尔定律用公式表示为：

I(λ)＝I₀(λ)exp[-α(λ)CL]

其中I₀(λ)为测量气室的入射光光强，I(λ)为穿过气体的出射光强。利用朗伯比尔公式，直接或间接测量I(λ)可以计算出气体的浓度。

这种测量方法有以下不足：1.研究实验发现朗伯比尔系数随被测气体的气压变化，压强越大吸收系数越大；2.当气体压强变化时，由于吸收系数变化，测量的结果也会变化，吸收系数变化的曲线是连续的，因此针对实际的应用处理数据需要无数个吸收系数。在实际应用中这是难以精确实现的，故这种方法在压强变化时误差很大。

发明内容

本发明的目的在于提供精确、性能可靠、适应于各种气压下的气体近红外光谱分析方法，这种方法可以用来指导设计制造各种近红外气体传感器。这种方法包括两个方面的创新，其一为近红外光谱分析的数据处理算法，其二为测量数据的硬件方法，数据处理算法与硬件方法相结合，数据处理算法的硬件实现。

其一：数据处理算法

本发明根据实验研究的发现对NIR光谱分析的数据处理算法进行了修正，即用一个普适于各种气压的常数H(λ)取代朗伯比尔系数α(λ)，用分子的密集度n/V来取代气体浓度(n为测量气室里气体的摩尔数，V为测量气室的体积)，数据的计算公式(C-H公式)为：

I(λ)=I0(λ)exp[-H(λ)nVL]---(1)]]>

其中I₀(λ)为测量气室的入射光光强，I(λ)为穿过气体的出射光强，H(λ)为与气体及近红外光波长相关的一个常数，L为光穿过气体光程。气体压强影响分子的密集度，密度越大，则吸收越强。分子的密集度是与分子的摩尔数和气体的体积相关，压强是通过影响分子的密集度间接影响气体对光的吸收的，因此H(λ)与气压不直接相关联，在不同的气压下是恒定常数。根据这个常数可计算被测气体的分子密集度，再根据理想气体状态方程：PV＝nRT计算气体的浓度。

其二：测量数据的硬件方法