第32卷，第9期 2012年9月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol. 32,No. 9, pp2587-2590 September, 2012
新式横向剪切干涉系统对天然气管道泄漏野外监测的研究
张学锋"，高玉斌2
1.中北大学，山西太原030051
2.仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051
摘要针对机械扫描式光谱分析设备抗震、抗干扰能力差等间题影响其在野外检测天然气管道泄露的精确度，设计了一种新式的抗震型横向剪切于涉系统。将分束镜作为机械扫描部分产生光程差，通过两个分束镜之间的连杆将引入的外部震动、干扰等相互抵消。计算了产生干涉条纹的干涉强度，分析了旋转分束镜对应角度的光程差函数，并求解了正向旋转和逆向旋转的最大角度，即可调节的最大光程范围。实验采用天然气罐放气模拟天然气管道泄露过程，在有干扰的条件下对本系统和WQF530型光谱仪的测试数据进行对比。实验结果显示，在室内没干扰的条件下，两者相对误差都在1%左右。但在有干扰的实际环境中， WQF530型光谱仪误差明显变大，均超过10%，而本系统的误差在5%以下，所以，本系统具有有效降低由
于外部干扰造成的检测误差，比传统机械扫描式干涉设备更适用于野外探测。关键词光谱探测；横向剪切干涉系统；防震动；CH，浓度
DOI: 10. 3964/j. issn. 10000593(2012)092587-04
中图分类号：0433.1
引言
文献标识码：A
谱检测的系统。
野外工作中导致误差最主要的就是由于风、人、车辆等造成的动面产生的误差，很多光谱仪在实验室的检测精度
传统的天然气管道的野外检测主要是化学定点采样的方法，，它虽然精度高、抗干扰能力强，但采样时间长、只能定点监测，应用很不灵活。用光谱设备远距离检测是该领域个主要发展方向。广泛应用的光谱分析仪主要可分为迈克尔逊型、光栅型3、静态傅里叶变换型等。迈克尔逊型[5，勺是最常用的光谱分析设备，其通过动镜的移动产生光程差，从面获得干涉条纹，根据需要的光谐分辨率可以选择扫描的光程长度，即可以获得很大的光程变化范围，但由于有动镜扫描机械结构，所以系统容易受到外界的影响。光栅型7，们具有结构简单无扫描元件的优点，在很多的应用场合都可以使用，但此种方法获得衍射条纹存在一个瓶颈问题，就是要求被测的光强较大，因为光栅会大幅减小人射的光通量，所以在微量气体的检测中受到限制；静态得里叶变换型应用的是空间干涉条纹与光谱的傅里叶变换的关系，由于没有动镜所以受环境影响较小，同时光通量也较大，但其静态干涉的结构注定其光谱分辨能力有限，不可能无限的增大其儿何结构，所以对浓度低的气体难以检测。采用改良干涉系统结构的方法提高干涉系统的稳定性，将在野外环境中由于震动导致的精度误差降到最小，设计一种专门应用于野外光
收稿日期：2012-02-25，修订日期：2012-05-08
基金项目：国家自然科学基金项目(11071227)资助
作者简介：张学锋，1973年生，中北大学副教授万方数据
高，但在野外应用时误差明显。所以在保证提供足够的扫描范围用于低浓度气体检测的前提下，要求系统同时满足有高的光通量，并且具有高抗震动能力(9,1o]。Philippe等[通过反射镜与分束镜对等设计的方式，减小震动产生的误差，从而提高系统的稳定性。布鲁克公司ROCKTM系列傅里叶变换红外光谱仪(12)，采用双角镜结构设计，利用原向反射的原理提高系统抗震性，光谱分辨率可达0.003cm-1。本系统采用横向剪切分光的方法，通过一组相连的分光镜产生的相干光进行干涉的方法获取干涉条纹，由于其相连旋转的工作结构，可以有效地将外界引人的震动通过两个分光镜的互动而相互抵消，所以将震动造成的系统误差降到最小，具有很高的抗震能力。
1系统设计
横向剪切干涉系统如图1所示，当激光入射系统中，经半透半反镜M;分为两束，其中一束光人射到角镜ABC中，从AB面至BC面最后照射在聚焦透镜上，由于角镜的作用，光线是原路返画的；另--束光通过半透半反镜M，照射到全
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