用静态傅立叶变换红外光谱仪测量气体

由于机械振动和温度波动等不利条件，在线监测工业过程中的气体是一项艰巨的任务^[1]。传统的傅立叶变换红外（FTIR）光谱仪使用相当复杂的光学和机械设计来确保稳定的操作，而静态FTIR光谱仪不需要移动部件，因此以相对较低的成本提供固有的稳定性^[2,3]。因此，提出了一种新颖、紧凑的气体测量系统，使用静态单镜傅里叶变换光谱仪（sSMFTS）。该系统在650 cm−1至1250 cm−1的中红外范围内工作，可以使用定制的白细胞进行操作，产生高达120 cm的光程长度，用于高度灵敏的气体浓度量化。提出了一种新颖、紧凑的测量系统，用于对气体浓度进行高灵敏度分析，该系统结合了传统 FTIR 光谱仪与静态系统的优点。该系统由光源模块、可交换气体池和静态单镜傅立叶变换光谱仪组成，工作在650 cm−1 至 1250 cm−1 的中红外波数范围内，测量速率高达 200 Hz，这比任何市售 FTIR 光谱仪都要快。由于该系统可以使用白池运行，光程长度可达 120 厘米，因此可以对低 ppm 范围内的气体进行定量。为了检查系统的线性度和准确性，使用 1,1,1,2-四氟乙烷作为测试气体，因为它的四个吸收带分布在 sSMFTS 的整个光谱范围内。记录的吸收光谱与参考测量结果吻合良好。由于相应的 PLS 模型质量很高，因此可以得出结论，当使用多重反射池时，该系统非常适合低 ppm 范围内的气体分析。通过分析光谱仪的Allan图，发现系统的理想积分时间为1.8 s，背景信噪比高达1100。在光程长度为80 cm，R134a 浓度为 100 ppm。 R134a 的检测限为 1.1 ppm，最小可分辨吸收系数为 5.6 × 10−5 cm−1 。使用体积为 20 mL 的标准单程气体池运行时，系统的时间常数为 60 ms，因此可以在 15 ms 内检测到气体浓度的纯粹质变。在这种情况下，R134a 的检测限和最小可分辨吸收系数分别为 51 ppm 和 2.5 × 10-3 cm-1 。因此，该系统也很好地适用于定性高速气体监测。未来的研究将涉及在相同光谱分辨率下增强静态光谱仪的光谱范围，从而扩大应用范围。此外，系统将使用不同的气体混合物进行验证，以检查设置的选择性。此外，为了提高整体系统性能，在数据采集过程中需要单独解决温度波动和微测辐射热计快门等不同的噪声因素

1. Liu, X.; Cheng, S.; Liu, H.; Hu, S.; Zhang, D.; Ning, H. A Survey on Gas Sensing Technology. Sensors 2012,12, 9635–9665.

2. Hodgkinson, J.; Tatam, R.P. Optical gas sensing: A review. Meas. Sci. Technol. 2013, 24, 012004.
3. Yadav, L.D.S. Organic Spectroscopy, 1st ed.; Springer-Science & Business: Dordrecht, The Netherlands, 2005.

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