一种分子特征吸收光谱测量装置及方法

摘要

本申请公开了一种分子特征吸收光谱测量装置及方法，属于气体检测和液体检测技术领域。该分子特征吸收光谱测量装置包括：广谱光源，其发出具有一定光谱分布的光；吸收装置，其包括吸收室和参照室，对广谱光源发出的第一光束或对第一光束处理后的第二光束进行吸收；选光器，对其根据光的波长对光进行选择，得到具有预定波长的光。探测器，其包括感光矩阵，感知并记录光束的亮度分布；以及信号处理器，其根据探测器感知并记录得到的亮度分布数据，分析得出包含有待检测分子的被测物质的含量。本申请的分子特征吸收光谱测量装置及方法通过光谱吸收能够准确测量气体或液体中的待测量物质，同时具有低成本的特点。

说明书

技术领域

本申请涉及气体检测和液体检测技术领域，特别是一种分子特征吸收光谱测量装置及方法。

背景技术

测定某种物质(分子)在其他物质中的含量通常有化学方法和物理方法。化学方法又分为直接化学法和电化学法两种：前者检测被测物质在加入其他试剂后发生化学反应而生成的并且可分离出来的物质的含量；后者测量由于被测物质的存在而导致的以另外一种物质为基础的物体的电流变化。直接化学法最为精确，但是需要比较多的化学仪器和设备。通常都是由专业人员来完成。电化学法可以集成到特制的芯片上，使用非常方便。但是电化学法芯片的电流变化除了因为被测物质的存在(含量)还会受到环境和其他物质的影响，包括温度和湿度的影响。一般来讲测量精确度比较差。只有在可控环境下才可以做定量分析。物理方法一般就是光谱分析法，包括发射光谱和吸收光谱。发射光谱分析法首先需要激发被测分子，而且被测信号比较弱，所需的设备和操作都比较复杂，其应用的范围相对比较小。吸收光谱分析法比较常用，因为所需的设备和操作相对比较简单。

尽管吸收光谱分析法相对比较简单，但是仍然需要专业设备和专业人员来完成。另外在连续单色光源、微弱信号探测以及光路一致性的问题方面，有较复杂的实现过程，同时成本高，不适用于日常的危害气体检测等方面。

对于日常气体检测的情况，较多的是对人有害的气体的检测，例如刚装修完房间的甲醛的检测等。其中，现有的检测手段可通过专门的机构，通过展业的检测仪器进行检测，但成本较高；或者通过购买空气甲醛自测盒，进行甲醛检测，该方法检测出的甲醛含量误差较大，同时容易受到周围环境中国温度、湿度的影响，影响最终的检测结果。

对于水质以及水中有害物质检测的情况，大多数情况下是通过化学制剂方法。此种操作需要非常复杂的设备，而且需要专业培训过的人来处理。基本上不具备普及性。

发明内容

针对现有技术中存在的进行气体或液体检测时，专业性方法成本较高，日常使用的检测手段检测结果不理想，存在较大误差的问题，本申请提供一种分子特征吸收光谱测量装置及方法。

在本申请的一个技术方案中，提供一种分子特征吸收光谱测量装置，包括：广谱光源，其发出具有一定光谱分布的第一光束；吸收装置，其包括吸收室和、或参照室，对广谱光源发出的第一光束或对第一光束处理后的第二光束进行吸收，其中，第一光束或第二光束经过参照室后射出，得到第一参考光束，和、或第一光束或第二光束经过吸收室后射出，得到第三光束，吸收室含有待检测分子，参照室为不含有待检测分子的环境；选光器，其根据光的波长对光进行选择，得到具有预定波长的光，其中，当第一参考光束经过选光器时，获得对应的第二参考光束，当第三光束经过选光器时，获得对应的第四光束；探测器，其包括感光矩阵，感知并记录第二参考光束和、或第四光束的亮度分布；以及信号处理器，其根据探测器感知并记录得到的亮度分布数据，分析得出包含有待检测分子的被测物质的含量。

在本申请的另一个技术方案中，提供一种分子特征吸收光谱测量方法，包括：通过广谱光源，发出具有一定光谱分布的第一光束；通过吸收装置，对广谱光源发出的第一光束或第一光束处理后的第二光束进行吸收，吸收装置包括吸收室和、或参照室，对广谱光源发出的第一光束或第二光束进行吸收，其中，第一光束或第二光束经过参照室后射出，得到第一参考光束，和、或第一光束或第二光束经过吸收室后射出，得到第三光束，吸收室含有待检测分子，参照室为不含有待检测分子的环境；通过选光器，根据光的波长对光进行选择，得到具有预定波长的光，其中，当第一参考光束经过选光器时，获得对应的第二参考光束，当第三光束经过选光器时，获得对应的第四光束；通过探测器，感知并记录第二参考光束和、或第四光束的亮度分布，感光器包括感光矩阵；以及通过信号处理器，根据探测器感知并记录得到的亮度分布数据，分析得出包含有待检测分子的被测物质的含量。

本申请的有益效果是：本申请的分子特征吸收光谱测量装置及方法通过光谱吸收能够准确测量气体中的待测量物质，同时具有低成本的特点，能够广泛推广。

附图说明

图1是本申请分子特征吸收光谱测量装置的一个具体实施方式的组成示意图；

图2是本申请分子特征吸收光谱测量装置中吸收装置的双向使用的一个实例的示意图；

图3是本申请分子特征吸收光谱测量装置中选光器的一个具体实例的示意图；

图4是本申请分子特征吸收光谱测量装置中选光器的另一个具体应用实例的示意图；

图5是集中在探测器上显示的图案样式的示意图；

图6是本申请分子特征吸收光谱测量装置中分光器的一个具体实例的示意图；

图7是本申请分子特征吸收光谱测量装置中分光器的一个具体实例的示意图；

图8是本申请分子特征吸收光谱测量装置中广谱光源与分光器组合应用的另一个实例的示意图；

图9是本申请分子特征吸收光谱测量装置的一个应用实例；

图10是本申请分子特征吸收光谱测量方法的一个具体实施方式的流程示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在对气体或者液体中的物质进行检测时，对于日常气体检测的情况，较多的是对人有害的气体的检测，例如刚装修完房间的甲醛的检测等。其中，现有的检测手段可通过专门的机构，通过展业的检测仪器进行检测，但成本较高；或者通过购买空气甲醛自测盒，进行甲醛检测，该方法检测出的甲醛含量误差较大，同时容易受到周围环境中国温度、湿度的影响，影响最终的检测结果。对于水质以及水中有害物质检测的情况，大多数情况下是通过化学制剂方法。此种操作需要非常复杂的设备，而且需要专业培训过的人来处理。基本上不具备普及性。因此，针对现有技术中的上述问题，本申请提出一种分子特征吸收光谱测量装置，用于解决上述问题。

本申请通过对流体中特定分子的特定光谱的检测，进而判定流体中检测分子的含量，进而确定出待测物质的含量。本申请的分子特征吸收光谱测量装置通过光谱吸收能够准确测量气体中的待测量物质，同时具有低成本的，能够广泛推广的特点。

图1示出了本申请分子特征吸收光谱测量装置的一个具体实施方式。

在图1所示的具体实施方式中，本申请的分子特征吸收光谱测量装置包括：广谱光源，其发出具有一定光谱分布的第一光束；吸收装置，其包括吸收室和、或参照室，对广谱光源发出的第一光束或第一光束处理后的第二光束进行吸收，其中，第一光束或第二光束经过参照室后射出，得到第一参考光束，和、或第一光束或第二光束经过吸收室后射出，得到第三光束，吸收室含有待检测分子，参照室为不含有待检测分子的环境；选光器，其根据光的波长对光进行选择，得到具有预定波长的光，其中，当第一参考光束经过选光器时，获得对应的第二参考光束，当第三光束经过选光器时，获得对应的第四光束；探测器，其包括感光矩阵，感知并记录第二参考光束和、或第四光束的亮度分布；以及信号处理器，其根据探测器感知并记录得到的亮度分布数据，分析得出包含有待检测分子的被测物质的含量。

本申请的分子特征吸收光谱测量装置，通过分子吸收特征光谱的特点进行气体分子的检测，提高检测结果的准确率，同时通过低成本结构的替换，降低成本，使得本申请的分子特征吸收光谱测量装置能够被广泛推广应用。

在图1所示的具体实施方式中，本申请的分子特征吸收光谱测量装置包括广谱光源，其发出具有一定光谱分布的光。相比较于专业机构中的分子特征吸收光谱测量装置使用单色光源，例如激光，作为光源，使用广谱光源将大大节省本申请分子特征吸收光谱测量装置的成本。

在本申请的一个具体实施例中，广谱光源为一个或多个发光LED和、或一个或多个其他形式的光源。

在该具体实施例中，广谱光源选用一定数量的发出一定光谱分布的光的LED设备和、或其他形势的光源，例如白炽灯光源。其中广谱光源的数量根据对光源强度的要求进行合理的选择。

优选的，广谱光源选择能够发出紫外光的发光LED、发出红外光的发光LED或者发出可见光的发光LED。

采用发光LED发出的具有一定广谱分布的光代替单色光源，使得本申请的分子特征吸收光谱测量装置的成本大大降低，便于本申请的分子特征吸收光谱测量装置推广应用。

在图1所示的具体实施方式中，本申请的分子特征吸收光谱测量装置包括吸收装置。吸收装置包括吸收室和、或参照室，对广谱光源发出的第一光束或或第一光束处理后的第二光束进行吸收，其中，第一光束或第二光束经过参照室后射出，得到第一参考光束，和、或第一光束或第二光束经过吸收室后射出，得到第三光束，吸收室含有待检测分子，参照室为不含有待检测分子的环境。

在该具体实施方式中，吸收装置中包括吸收室和、或参照室。其中，吸收室中包含有待检测分子。在广谱光源出来的第一光束或或第一光束处理后的第二光束经过吸收室后，特定波长的特征光被待检测分子吸收，最终得到第三光束。为了进行对比，吸收装置中还包括参照室，其中，参照室为不含有待检测分子的环境。第二光束经过参照室后，得到第一参考光束。通过后续对第一参考光束和第三光束进行比较，便可确定出第三光束中缺少的特定波长的光，进而确定待检测分子的种类及浓度。

在本申请的一个实例中，吸收装置可根据实际的检测需要可仅包括吸收室、仅包括参照室或者吸收室和参照室均包括在内。若吸收装置仅包括吸收室和参照室中的一者，则本申请的分子特征吸收光谱测量装置可设置两个吸收装置，分别实现吸收室或者参照室的功能或者使用一个吸收装置，在进行了参照室的一系列过程后，在将该吸收装置改成吸收室，进行吸收室相关的一系列过程。若吸收装置中既包括参照室，又包括吸收室，则相关的过程可同时进行。其中，关于具体的吸收装置的设置，可根据实际的检测条件进行确定。

本申请的分子特征吸收光谱测量装置中的吸收装置可设置成单向吸收模式，为了提高待检测分子对光的吸收程度，也可设置成双向吸收模式。其中，图2示出了本申请分子特征吸收光谱测量装置包括吸收装置中吸收装置的双向使用的一个实例。

如图2所示，广谱光源发出的第一光束经过分光器分光后形成两束强度相同的第二光束，分别进入吸收装置中的吸收室和参照室中。通过在吸收室及参照室中设置反射镜，对光进行反射，从而增加第二光束在吸收装置中的经过距离，如图2所示。最终，经过参照室的第二光束形成第一参考光束，经过吸收室的第二光束形成第三光束。通过反射镜的设置，将第二光束在吸收室中的经过距离增加一倍，使得待检测分子对光的吸收更加完全，从而提高物质检测的准确率。

在图1所示的具体实施方式中，本申请的分子特征吸收光谱测量装置包括选光器，其根据光的波长对光进行选择，得到具有预定波长的光，其中，当第一参考光束经过选光器时，获得对应的第二参考光束，当第三光束经过选光器时，获得对应的第四光束。

在该具体实施方式中，因为根据待检测分子的特性，其对某一波长的特征光具有较大的吸收能力。因此，为了提高检测的准确性，则将该波长的光通过选光器选取出来，进而对该选择出来的具有一定波长的光进行分析。

在本申请的一个具体实施例中，在选光器中，选光器包括透镜和镀在透镜表面的多个光学薄膜。

在该具体实施例中，本申请的选光器由透镜和镀在透镜表面的多个光学薄膜组成。其中，透镜可对光进行透视，从而在分子特征吸收光谱测量装置的结构设计上，可选择更小的空间占用，使得分子特征吸收光谱测量装置能够进行小型化设计。通过透镜表面的多个光学薄膜可对固定波长光进行通过，进而对特定波长的光进行选择，通过多个光学薄膜的组合使用，最终选择出需要进行检测的特定波长的光。

图3示出了本申请分子特征吸收光谱测量装置中选光器的一个具体实例。

如图3所示，选光器包括透镜和镀在透镜表面的多个光学薄膜，其中透镜的至少一侧为凸状结构。当广谱光射入选光器，首先经过镀在透镜表面的多个光学薄膜的选择作用，将具有特定波长的单色光通过，其余的光则过滤掉。又因为透镜的凸状结构，使得对通过的具有特定波长的单色光进行聚集，便于后续的的检测过程，提高检测结果的准确度。

图4示出了本申请分子特征吸收光谱测量装置中选光器的另一个具体应用实例。

如图4所示，一个透镜镀上特定的光学薄膜后，可进行对一种特定波长的单色光进行选择，其中，为了能够同时进行双波长单色光的选择，通过反射板的设置，可进行实现，具体过程如图4所示。首先，从导光器出来的广谱光首先投射在反射板上。反射板表面镀有若干层光学薄膜，使得某一特定波长的光被反射回来，而其他波长的光透射过去。在反射板的后面有一个透射单波长选光器，选择出需要波长的光波。被反射板反射回来的单色光又通过反光镜被反射回来，作为第二个光路。反光镜的后面可以放置一个透射单波长选光器。对于多波长选光器，可以在第一个反射板的后面增加多个反射板，每一个反射板对应不同的特定反射波长的光。这些光波再经过反光镜形成所需要的平行单色光。

在本申请的一个具体实施例中，本申请的分子特征吸收光谱测量装置还包括：光栅，其位于选光器与探测器之间，对所述第二参考光束和、或第四光束进行处理，使得第二参考光束和、或第四光束更易被探测器感知。

在该具体实施例中，通过在透镜上印刷有图形光栅，通过光的干涉特性，在探测器上显示图形光栅对应的图案对应的图案，再对对应的图案进行亮度的检测，最终得出待检测分子的含量。其中，图5示出了集中在探测器上显示的图案样式。通过对探测器上显示的图案的亮度进行探测，进而获得二参考光束和第四光束的亮度区别。在后续的分析处理过程中，根据该亮度差得出待检测分子的含量。

在本申请的一个实例中，光栅可设置在选光器的透镜上，也可单独放置在选光器和探测器之间，对光起到干涉作用。

在图1所示的具体实施方式中，本申请的分子特征吸收光谱测量装置包括探测器，其为感光芯片矩阵，对第二参考光束和第四光束的亮度分布进行探测。

在该具体实施方式中，探测器为一个感光矩阵，例如，CMOS感光矩阵芯片。其对第二参考光束和第四光束的亮度分布进行探测并进行记录。通过感光点矩阵进行亮度的感知，提高对亮度感知的精度，从而提高最终物质检测的准确率。

通过使用感光矩阵作为探测器，避免现有的探测器只使用少量的感光点进行感光，导致对第二参考光束和第四光束的标准不统一的问题。另外，随着探测器的使用，当感光点老化时，通过感光矩阵可以简单实现感光点的校正过程。另外，使用感光矩阵作为探测器，当出现感光点存在误差时，因为感光矩阵，可对误差进行一定程度的削减，从而提高检测结果的精度。

在图1所示的具体实施方式中，本申请的分子特征吸收光谱测量装置包括信号处理器，其根据探测器感知并记录得到的亮度分布数据，分析得出包含有待检测分子的被测物质的含量。

在本申请的一个具体实施例中，在信号处理器中，根据探测器对亮度分布的探测结果，根据第四光束和第二参考光束的光的亮度差异，根据预选设计好的计算方法，计算出被测物质的含量。

在本申请的一个具体实施例中，本申请的分子特征吸收光谱测量装置还包括：分光器，其由光纤簇构成，对由广谱光源发出的第一光束进行切分，获得至少两束强度相同的第二光束，其中，至少两束第二光束分别进入吸收室和参照室中，得到对应的第一参考光束和第三光束。

在本申请的一个具体实施例中，在分光器中，光纤簇的入光口一端连接在广谱光源的发光表面，光纤簇的出光口一端按照分光个数平均分配，组成分光器的至少两个出光口。

在该具体实施例中，分光器由多根光纤组成的光纤簇构成，其中，光纤簇的入光口一端连接在广谱光源的发光表面，接收广谱光源发出的光，通过对多根光纤组成的光纤簇根据分光个数进行平均分配，分别组成对应的至少两个出光口，使得每个出光口都具有相同的光源强度。

图6示出了本申请分子特征吸收光谱测量装置中分光器的一个具体实例。

因为光纤簇由大量的光纤组成，为了方便描述光纤的位置分布，图6以6根光纤为例，对光纤簇中光纤的分布情况进行说明。如图6所示，该分光器的光纤簇中的6根光纤将光源发出的第一光束分光为两个第二光束。为了保证每个出光口具有相同的光源强度，其中每个出光口均被分配有两根光纤，通过对光纤簇的光纤数量根据分光个数进行平均分配，形成对应的出出光口，保证各个出光口具有相同的光源强度。

在本申请的一个具体实施例中，在分光器中，光纤簇的入光口一端分布在广谱光源的发光表面，其中相邻的光纤分别汇入不同的出光口，使得至少两个出光口的光的强度相同。

在该具体实施例中，为了保证分光器将来自广谱光源的第一光束分光为强度相同的第二光束，组成分光器的光纤簇的入光口一端分布在广谱光源的发光表面上，并且保证相邻的光纤分别汇入不同的出光口，从而使得至少两个出光口的光的强度相同。得到至少两个强度相同的第二光束。

图7示出了本申请分子特征吸收光谱测量装置中分光器的一个具体实例。

因为光纤簇由大量的光纤组成，为了方便描述光纤的位置分布，图7以4根光纤为例，对光纤簇中光纤的分布情况进行说明。如图7所示，该分光器由4根光纤将光源发出的第一光束分光为两个第二光束。对分布在广谱光源表面的4根光纤进行编号，其中由上到下，依次标号为第一光纤、第二光纤、第三光纤以及第四光纤。如图7所示，其中第一光纤与第二光纤相邻，第三光纤与第四光纤相邻。因为在在广谱光源的发光平面中，相邻位置的光的强度也近乎相同，即第一光纤与第二光纤的光的强度相同，第三光纤与第四光纤的光的强度相同。因此，为了保证分光得到的光的强度的均匀性，将相邻的光纤分别汇入不同的出光口，即第一光纤、第三光纤组成一个出光口，第二光纤、第四光纤组成另一个出光口。

图8示出了本申请分子特征吸收光谱测量装置中广谱光源与分光器组合应用的一个实例。

如图8所示，为了增强光源的强度，提高检测的效率，本申请可采用多个广谱光源。其中，对应的分光器的分光方式也进行对应的设置。因为采用相同型号，相同功率的广谱光源，因此每个光源的发光强度近乎相同。在分光器中，保证相邻的光纤分别汇入不同的出光口，从而使得至少两个出光口的光的强度相同。

图9示出了本申请分子特征吸收光谱测量装置的一个实例。

在图9所示的实例中，本申请分子特征吸收光谱测量装置包括广谱光源、分光器、吸收装置、选光器、探测器以及信号处理器。下面结合图9对本申请分子特征吸收光谱测量装置的工作流程进行说明。

在该实例中，广谱光源发出第一光束，其中广谱光源可以发出紫外光的发光LED、发出红外光的发光LED或者发出可见光的发光LED。随后，第一光束进入分光器，其中分光器有光纤簇构成，通过光纤簇的分光作用，将司第一光束分光成强度相同的至少两束第二光束，其中，在该实例中，以两束第二光束为例进行说明。两束强度相同的第二光束分别进入吸收装置中的参照室和吸收室中被吸收后射出吗，其中第二光束经过参照室后得到第一参考光束，第二光束经过吸收室后得到第三光束。第一参考光束和第三光束分别经过选光器进选光。选光器根据光的波长对光进行选择，得到具有预定波长的光，其中根据待测分子的特性，确定选择的光的波长。第一参考光束和第三光束分别经过选光器后得到具有预定波长的第二参考光束和第四光束。然后，通过由感光矩阵构成的探测器对第二参考光束和第四光束的亮度分布进行检测。其中，为了更能够体现亮度的变化，可在选光器和探测器之间设置光栅或者直接将光栅设置在选光器上，通过光的干涉特性，最终在探测器上死按时对应的图案，进而对光的分布进行探测。信号处理器根据探测器对第二参考光束和第四光束的亮度分布结果，对第二参考光束和第四光束的亮度差异进行分析，根据设定好的计算方法，计算出包含有待检测分子的被测物质的含量。

本申请的分子特征吸收光谱测量装置，通过采用广谱光源最为分子检测的光源，以及采用光纤簇作为分光器的主要结构，降低分子检测的成本，便于后续的广泛推广；另外采用感光矩阵进行对光的亮度分布进行探测，提高最终结果的准确性，另外采用感光矩阵，便于后续对设备的校正和维护，降低成本，同时对测量误差有良好的去除效果。

图10示出了本申请分子特征吸收光谱测量方法的一个具体实施方式。

在图10所示的具体实施方式中，本申请的分子特征吸收光谱测量方法，包括：过程S1001，通过广谱光源，发出具有一定光谱分布的第一光束；过程S1002，通过吸收装置，对广谱光源发出的第一光束或对第一光束处理后的第二光束进行吸收，吸收装置包括吸收室和、或参照室，对广谱光源发出的第一光束或第二光束进行吸收，其中，第一光束或第二光束经过参照室后射出，得到第一参考光束，和、或第一光束或第二光束经过吸收室后射出，得到第三光束，吸收室含有待检测分子，参照室为不含有待检测分子的环境；过程S1003，通过选光器，根据光的波长对光进行选择，得到具有预定波长的光，其中，当第一参考光束经过选光器时，获得对应的第二参考光束，当第三光束经过选光器时，获得对应的第四光束；过程S1004，通过探测器，感知并记录第二参考光束和第四光束的亮度分布，感光器包括感光矩阵；以及过程S1005，通过信号处理器，根据探测器感知并记录得到的亮度分布数据，分析得出包含有待检测分子的被测物质的含量。

在本申请所提供的实施方式中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。