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CN116183486A - 电调制光源、非色散红外光谱检测系统及气体检测方法 - Google Patents

电调制光源、非色散红外光谱检测系统及气体检测方法 Download PDF

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CN116183486A
CN116183486A CN202111423708.4A CN202111423708A CN116183486A CN 116183486 A CN116183486 A CN 116183486A CN 202111423708 A CN202111423708 A CN 202111423708A CN 116183486 A CN116183486 A CN 116183486A
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electrically modulated
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赖丽文
柳鹏
周段亮
李群庆
范守善
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Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
Original Assignee
Tsinghua University
Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种电调制光源，该电调制光源包括一碳纳米管膜状结构，该碳纳米管膜状结构包括至少一个超顺排碳纳米管膜或者/和多条碳纳米管线，该电调制光源在加载电压后瞬间升温并发出热辐射，在去除电压后瞬间降温至其初始温度，所述电调制光源的调制频率大于等于150KHz。本发明还提供一种采用该电调制光源的非色散红外光谱检测系统，以及采用该非色散红外光谱检测系统进行气体检测的方法。

Description

电调制光源、非色散红外光谱检测系统及气体检测方法
技术领域
本发明涉及一种电调制光源，采用该电调制光源的非色散红外光谱检测系统及气体检测方法。
背景技术
随着全球工业化进程逐渐发展成熟，工业生产给环境中排放出大量的温室气体甚至污染气体，这些气体不仅造成地表温度升高，还对人体健康构成威胁，因此，检测这些气体在环境中的含量，并采取改善措施，是环保的一项主要的工作。一般气体系统尤其是大气环境，需要实时定量检测，同时要求检测系统性能稳定，可快速反应并测试出微小的含量。非色散红外(Non-Dispersive Infrared,NDIR)光谱检测仪正好符合这个特点，其结构简单，元件可灵活替换，成本低，且气体特异性高，只要测出了气体的吸收谱，从当中尖锐狭窄的特征吸收峰就可以直接辨别气体种类，因此无气体交叉响应，且可以在不干扰气体样品的情况下进行实时和现场甚至远程测量。另外，NDIR光谱检测仪可以确定入射光的强度，因此测量是自我参考的，从而决定了测试系统高度的可靠性和可重复性。
调制光源在NDIR光谱检测仪中广泛应用，采用调制光源的NDIR光谱检测仪因具有体积小、稳定性高、且测试精度高等特点而广受欢迎与应用。采用调制光源的NDIR光谱检测方法与非光学检测方法相比，具有更高的灵敏度、选择性和稳定性；使用寿命长，反应时间相对较短，可实现在线实时检测；且性能不会因环境变化或特定气体引起催化剂中毒等而恶化。
传统的调制光源包括机械调制光源、中红外激光光源、铅盐二极管激光器以及非线性光源。然而，机械调制光源需要很高的机械精度和时间分辨率，调制响应较慢，而且容易影响光路；中红外激光光源缺乏连续波长的稳定性；铅盐二极管激光器的输出功率低，冷却要求较高；以及非线性光源具有复杂性和低功率，这些传统的调制光源均限制了NDIR光谱检测仪的应用。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种可以解决上述技术问题的电调制光源、采用该电调制光源的非色散红外光谱检测系统，以及采用该非色散红外光谱检测系统的气体检测方法。
一种电调制光源，包括一碳纳米管膜状结构，该电调制光源在加载电压后在小于10毫秒的时间内升温至最高温度并发出白炽光，在去除电压后在小于10毫秒的时间内降温至其初始温度，所述电调制光源的调制频率大于等于150KHz。
一种非色散红外光谱检测系统，包括：一电调制光源、一真空腔、一气体腔室、一第一窗片、一第二窗片、一窄带滤光片、以及一探测器，所述电调制光源位于所述真空腔内，所述真空腔包括一窗口，所述第一窗片固定在该窗口处，所述气体腔室直接连接在第一窗片处，且所述电调制光源与气体腔室中的气体隔绝，将该第一窗片处的气体腔室的一侧定义为第一侧，气体腔室中与该第一侧相对的一侧定义为第二侧，所述第二窗片固定在所述气体腔室的第二侧。
一种气体检测的方法，具体包括：
步骤S1：提供上述非色散红外光谱检测系统；
步骤S2：将待测气体注入到所述气体腔室中；以及
步骤S3：对所述电调制光源施加电压，进而使得该电调制光源发出热辐射，光路依次经过第一窗片、气体腔室、第二窗片、窄带滤光片之后被探测器探测到。
相较于现有技术，本发明提供的电调制光源包括一碳纳米管膜状结构，该碳纳米管膜状结构能够辐射出很宽的光谱，增大碳纳米管膜状结构的加载电压或者增大碳纳米管膜状结构中的超顺排碳纳米管膜的层数和沿电流方向的长度就可以增大其辐射功率，因此该电调制光源具有灵活的可调性，操作简单且不影响光路。所述电调制光源能够实现150KHz甚至更高的调制频率，且能够在大约几ms甚至几百us的时间内迅速升温和冷却，调制响应迅速。
附图说明
图1为本发明实施例提供的电调制光源的的主视图。
图2为本发明实施例提供的碳纳米管膜状结构的电子显微镜照片。
图3为本发明实施例提供的所述碳纳米管膜状结构的温度随加载电压大小的变化曲线。
图4为时域分析时，示波器中得到的采用Si探测器得到的所述碳纳米管膜状结构对脉冲电压的响应的200nm-1100nm的信号曲线。
图5为时域分析时，示波器中得到的采用碲镉汞(MCT)探测器得到的所述碳纳米管膜状结构对脉冲电压的响应的2.0um-10.6um的信号曲线。
图6为不同脉冲宽度的方波电压调制下Si探测器得到的信号。
图7为在可见光到近红外波段碳纳米管膜状结构的温度上升时间和下降时间随温度的变化曲线。
图8为在近红外到中红外光波段碳纳米管膜状结构的温度上升时间和下降时间随温度的变化曲线。
图9为不同调制频率下，所述超顺排碳纳米管膜状结构在可见光到近红外波段的信号随时间的变化曲线。
图10为本发明实施例提供的非色散红外光谱检测系统的结构示意图。
图11为本发明实施例提供的非色散红外光谱检测系统进行气体检测基本路线图。
图12为本发明实施例中二氧化碳(CO2)作为目标气体时，单一目标气体测试和混合目标气体测试时经过中心波长为4.26um的窄带滤光片的相对信号强度随着CO2的流速比的变化曲线。
图13为本发明实施例中甲烷(CH4)作为目标气体时，单一目标气体测试和混合目标气体测试时经过中心波长为3.33um的窄带滤光片的相对信号强度随着CH4的流速比的变化曲线。
图14为本发明实施例中CO2和CH4的混合目标气体测试时，经过中心波长为2.33um的参考窄带滤光片滤光之后的信号随不同CO2浓度的信号值的变化情况。
主要元件符号说明
电调制光源 10
碳纳米管膜状结构 102
非色散红外光谱检测系统 100
真空腔 11
气体腔室 12
第一窗片 13
第二窗片 14
窄带滤光片 15
探测器 16
锁相放大器 17
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明提供的电调制光源、非色散红外光谱检测系统及气体检测方法进一步地详细说明。
请参阅图1-2，本发明第一实施例提供一电调制光源10。所述电调制光源10包括一碳纳米管膜状结构102，该碳纳米管膜状结构102包括多个通过范德华力相互连接的碳纳米管。在该电调制光源10的两端施加电压，该电调制光源10能够在加载电压后瞬间升温并发出热辐射，并能够在去除电压后瞬间降温至其初始温度。该瞬间升温是指电调制光源10加载电压之后，从原始温度上到的最高温度所用的时间为毫秒级；瞬间降温是指加载电压去除之后，电调制光源10从最高温度下降至初始温度的时间也为毫秒级。该毫秒级是指时间小于10毫秒。
所述碳纳米管膜状结构102包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管通过范德华力连接。所述碳纳米管膜状结构102可以为由超顺排碳纳米管薄膜切割并经多次垂直交叉堆叠形成的悬空于镍杆上的薄膜。所述碳纳米管膜状结构102可以为一仅由碳纳米管组成的结构。所述碳纳米管膜状结构102可以包括至少一层超顺排碳纳米管膜。所述碳纳米管膜状结构102也可以包括多条碳纳米管线，该多条碳纳米管线可以平行或交叉排列形成所述碳纳米管膜状结构102。所述碳纳米管膜状结构102也可以同时包括至少一层超顺排碳纳米管膜和多条碳纳米管线的复合结构。
当所述碳纳米管膜状结构102包括多层超顺排碳纳米管膜时，该多个超顺排碳纳米管膜层叠设置。相邻两层超顺排碳纳米管膜中的碳纳米管之间的交叉角可以为任何角度，优选90度，这样形成的碳纳米管薄膜结构更加稳定不容易破损。在一实施例中，所述碳纳米管膜状结构102包括10层垂直交叉层叠的超顺排碳纳米管膜，该碳纳米管膜状结构102的表面均匀，雾化后结构牢固。该垂直交叉层叠的超顺排碳纳米管膜是指相邻层的超顺排碳纳米管膜中的碳纳米管之间的夹角为90度。本实施例中，所述电调制光源10包括所述碳纳米管膜状结构102，所述碳纳米管膜状结构102包括10层超顺排碳纳米管膜层叠设置，且相邻层的超顺排碳纳米管膜中的碳纳米管之间的夹角为90度。可以理解，在某些实施例中，所述电调制光源10仅由所述碳纳米管膜状结构102组成，该碳纳米管膜状结构102由多个超顺排碳纳米管膜形成，或者由多条碳纳米管线形成。
所述超顺排碳纳米管膜由若干碳纳米管组成。所述若干碳纳米管基本沿同一方向择优取向排列，所述择优取向排列是指在超顺排碳纳米管膜中大多数碳纳米管的整体延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多数碳纳米管的整体延伸方向基本平行于超顺排碳纳米管膜的表面。当然，所述超顺排碳纳米管膜中存在少数随机排列的碳纳米管，这些碳纳米管不会对超顺排碳纳米管膜中大多数碳纳米管的整体取向排列构成明显影响。因此，不能排除所述超顺排碳纳米管膜中基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管中并列的碳纳米管之间可能存在部分接触。
所述超顺排碳纳米管膜的制备方法包括：
首先，提供一超顺排碳纳米管阵列，该超顺排碳纳米管阵列形成于一基板的表面。该超顺排碳纳米管阵列由多个碳纳米管组成，且该多个碳纳米管基本上相互平行且垂直于所述基板的表面，该超顺排碳纳米管阵列基本不含杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。所述超顺排碳纳米管阵列的制备方法可参见中国专利CN100411979C中碳纳米管阵列的制备方法。
其次，采用一拉伸工具从所述超顺排碳纳米管阵列中选定多个碳纳米管，本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带或粘性基条接触该超顺排碳纳米管阵列以选定具有一定宽度的多个碳纳米管；以一定速度拉伸该选定的碳纳米管，该拉取方向沿基本垂直于超顺排碳纳米管阵列的生长方向。从而形成首尾相连的多个碳纳米管，进而形成一连续的超顺排碳纳米管膜。该超顺排碳纳米管膜中碳纳米管的排列方向基本平行于该超顺排碳纳米管膜的拉伸方向。
当所述碳纳米管膜状结构102包括多条碳纳米管线时，相邻的碳纳米管线之间通过范德华力结合。所述碳纳米管线可以为非扭转的碳纳米管线或者扭转的碳纳米管线。
所述非扭转的碳纳米管线包括多个沿该非扭转的碳纳米管线轴向方向延伸的碳纳米管。非扭转的碳纳米管线可通过将所述超顺排碳纳米管膜通过有机溶剂处理得到。所述非扭转的碳纳米管线及其制备方法请参见范守善等人于2002年9月16日申请的，2008年8月20日公告的，公告号为CN100411979C的中国专利。
所述扭转的碳纳米管线包括多个绕该扭转的碳纳米管线轴向螺旋延伸的碳纳米管。该扭转的碳纳米管线可采用一机械力将所述超顺排碳纳米管膜两端沿相反方向扭转获得。进一步地，可采用一挥发性有机溶剂处理该扭转的碳纳米管线。所述扭转的碳纳米管线及其制备方法请参见范守善等人于2005年12月16日申请的，2009年6月17日公告的，公告号为CN100500556C的中国专利。
所述超顺排碳纳米管膜可以大面积制备，且通过改变其结构大小、层数和加载电压的大小或者频率，就可以改变其辐射能量分布和得到具有不同频率的光信号，因此，该碳纳米管膜状结构102作为电调制光源具有灵活的可调性。另外，在真空环境下，对所述碳纳米管膜状结构102通电后，当碳纳米管膜状结构102的温度达到一定时，该碳纳米管膜状结构102便开始辐射可见光。所述超顺排碳纳米管膜在真空中能达到非常高的温度，例如，在10Pa以内的真空环境中，当施加电压为20V时，所述超顺排碳纳米管膜的温度能够达到约1500K。
请参阅图3，在真空环境中，在所述碳纳米管膜状结构102的两端加载脉冲方波电压，并改变脉冲方波电压的大小。所述碳纳米管膜状结构102的表面温度随着加载电压的增大而增大，这种特性使得所述碳纳米管膜状结构102的辐射的性质可以被调制。进一步说明所述电调制光源10加载不同的电压，可以达到不同的温度，仅通过调整电调制光源10的加载电压就可以调整其辐射功率，所述电调制光源10具有灵活的可调性。
图4和图5分别为时域分析时，示波器中得到的采用Si探测器和碲镉汞(MCT)探测器得到的所述碳纳米管膜状结构102对脉冲电压的响应，其中，脉冲幅值为20V，调制频率为20hz时，光源温度达到1182℃。由图4和图5可以看出，在可见光波段Si探测器采集到的信号以及在红外光波段MCT探测器采集到的信号均能与方波脉冲的信号同步。图4和图5说明所述碳纳米管膜状结构102加载电压之后，碳纳米管膜状结构102的温度瞬间升高并向外产生辐射，辐射的能量可成功被Si探测器和碲镉汞(MCT)探测器探测到，因此该所述碳纳米管膜状结构102可以作为可调制的可见和红外光源来应用。
请参阅图6，为调制频率为20hz时，不同脉冲宽度的方波电压调制下Si探测器得到的可见到近红外光波段的信号。图7为Si探测器得到的碳纳米管膜状结构102的上升时间和下降时间随温度的变化曲线。由图6-7可以看出，在800℃至1200℃的温度范围内，在可见至近红外波段，碳纳米管膜状结构102的上升时间为3毫秒(ms)～4ms，下降时间也仅有1ms甚至600微秒(μs)。请参阅图8，为在MCT探测器得到的红外光波段内，碳纳米管膜状结构102的上升时间和下降时间随温度的变化曲线。由图8可以看出，在800℃至1200℃的温度范围内，在红外光波段，碳纳米管膜状结构102的上升时间为2ms～3ms，下降时间为5ms左右。由图6-8可以看出，所述碳纳米管膜状结构102能够在加载电压后瞬间升温并发出热辐射，并能够在去除电压后瞬间降温至初始温度，该碳纳米管膜状结构102通电后升温时间，以及在断电后的降温时间均为毫秒量级，进而使得所述电调制光源10能够达到快速调制的目的，而且所述碳纳米管膜状结构102在加载了脉冲电压之后能够辐射出具有时间周期性的并与调制信号同步的光信号。
图9中a-d分别为在500Hz，30KHz，100KHz和150KHz的调制频率下，所述超顺排碳纳米管膜状结构102在可见到近红外光波段的信号随时间的变化曲线。从图9中不同调制频率的调制结果可以看出，在可见光波段，所述碳纳米管膜状结构102的电调制频率至少可以高达150KHz，进而说明所述电调制光源10可以达到150KHz甚至以上的调制频率。
本发明提供的电调制光源包括一碳纳米管膜状结构，该碳纳米管膜状结构能够辐射出很宽的光谱，增大碳纳米管膜状结构的加载电压或者增大碳纳米管膜状结构中的超顺排碳纳米管膜的层数和沿电流方向的长度就可以增大其辐射功率，因此该电调制光源具有灵活的可调性，操作简单且不影响光路。所述电调制光源可以实现大于等于150的调制频率，且能够在大约几ms甚至几百μs的时间内迅速升温和冷却，调制响应较快。且所述电调制光源为一碳纳米管膜状结构，制备过程非常简单且可快速大面积制备，性能稳定容易保存，而且成本很低；因此本发明的电调制光源可以做到大尺寸，通过使用多个不同波长的窄带滤光片，可以测试多种不同的气体，若使用不用波段的滤光片，则可以构造满足不用波段需求的光源。所述碳纳米管膜状结构在真空中能达到非常高的温度，且该电调制光源的电调制频率可以达到150KHz甚至150KHz以上，这是现有的大尺寸电调制光源无法实现的。
本发明的所述电调制光源10的应用范围广泛，例如：可以作为高频可调制光源代替需要斩波器等机械调制的光学检测方法，还可以用于非色散红外光谱检测方法中进行气体检测，还可以作为傅里叶红外光谱仪或者其它场合的光源用于测试样品的性质，如吸收光谱、透反射等。
请参阅图10，本发明第二实施例提供一种非色散红外光谱检测系统100，该非色散红外光谱检测系统100包括：一电调制光源10、一真空腔11、一气体腔室12、一第一窗片13、一第二窗片14、一窄带滤光片15、以及一探测器16。所述电调制光源10位于所述真空腔11内。所述真空腔11包括一窗口，所述第一窗片13固定在该窗口处。所述气体腔室12直接连接在第一窗片13处，且所述电调制光源10与气体腔室12中的气体隔绝。将该第一窗片13处的气体腔室的一侧定义为第一侧，气体腔室12中与该第一侧相对的一侧定义为第二侧，所述第二窗片14固定在所述气体腔室12的第二侧。所述电调制光源10辐射出的光信号依次经过第一窗片13、气体腔室12、第二窗片14、窄带滤光片15之后被所述探测器16探测到。
由于所述窄带滤光片15将通过其后的光压缩到很窄的波段，因此探测器16探测到的信号相较于电调制光源10辐射出的全光谱范围的光信号小很多，因此，所述非色散红外光谱检测系统10可进一步包括一锁相放大器17。请参阅图11，将一方波脉冲电源的信号作为参考信号输入给所述锁相放大器17，探测器16上接收到的信号也输入到所述锁相放大器17，从而实现对信号进行滤波放大，提高信噪比。所述锁相放大器17可进一步与一显示面板连接，所述锁相放大器17中的信号输出到所述显示面板上。
所述电调制光源10为第一实施例中的电调制光源10，其包括第一实施例中电调制光源10的全部技术特征，为节省篇幅，在此不再赘述。
所述气体腔室12在垂直于光路的方向上包括两个通气孔，用于通入待测气体和排气。
本所述第一窗片13和第二窗片14可以为常用的红外窗片，例如：溴化钾窗片、氟化钙窗片、硒化锌窗片、氟化钡窗片、氟化镁窗片、硫化锌窗片、红外用石英片、氟化镓窗片等。本实施例中，所述第一窗片13和第二窗片14均为氟化钙(CaF2)窗片。
所述窄带滤光片15位于气体腔室12的外侧并与气体腔室12间隔设置。该窄带滤光片15可以固定在探测器上面。该窄带滤光片15的中心波长根据待测气体在红外波段的特征吸收波长进行选择。例如，4.26um是CO2红外波段的特征吸收波长，在测试CO2气体时，所述窄带滤光片15为以4.26um为中心波长的滤光片，且窄带滤光片15的半峰全宽为105nm；当测试CH4气体时，所述窄带滤光片15为中心波长为3.33um的滤光片，且窄带滤光片15的半峰全宽仅为150nm。
所述探测器16位于所述窄带滤光片15的后方，从而探测器16接收到的信号为与窄带滤光片15的工作波长范围一致的红外信号。本实施例中，所述探测器16为一MCT探测器，该MCT探测器的范围是2.0um至10.6um。
本发明实施例进一步提供一种采用上述非色散红外光谱检测系统10进行气体检测的方法，具体包括：
S1：提供上述非色散红外光谱检测系统10；
S2：将待测气体通过通气孔注入到所述气体腔室12中；
S3：对所述电调制光源10施加电压，进而使得该电调制光源10发出热辐射，光路依次经过第一窗片13、气体腔室12、第二窗片14、窄带滤光片15之后被探测器16探测到。
步骤S2中的待测气体可以为单一气体，也可以为一混合气体。在测试时，还可以进一步在所述气体腔室12中通入一惰性气体，作为待测气体的载气。
步骤S3中，由于探测器16探测到的波长范围窄，相较于电调制光源10辐射出的全光谱范围的光能量，滤光片工作范围的红外能量将大大减少，因此需要对电调制光源10进行调制，并对探测到的信号进行滤波放大。步骤S3进一步包括，将一方波脉冲电源的信号作为参考信号输入给一锁相放大器17，探测器16上接收到的信号也输入到所述锁相放大器17，从而实现对信号进行滤波放大，提高信噪比。本实施例中，将67Hz的方波脉冲电源TTL电平信号作为参考信号输入给锁相放大器17，该同频的信号同时用于加载在光源上。
下面以具体实施例进一步说明采用所述非色散红外光谱检测系统10对不同气体进行检测的方法。
实施例1：CO2为单一目标气体的检测
在气体腔室中通入Ar和CO2，通过改变Ar和CO2的流量来改变CO2的体积比，进而改变CO2对所述碳纳米管膜状结构的红外辐射的吸收。将67Hz的方波脉冲电源的信号作为参考信号输入给所述锁相放大器，光电探测器上接收到的信号也输入到所述锁相放大器，从而实现对信号的滤波放大，提高信噪比。
实施例2：CH4为单一目标气体的检测
本实施例中的测试方法与实施例1中相同，只是将CO2换成CH4。
实施例3：CO2和CH4为混合目标气体的测试
测试CO2和CH4混合目标气体时的方法和实施例1中单一目标气体测试时相同，同样用Ar作为载气，其区别仅在于：窄带滤光片15不同，分别换用相应的窄带滤光片。
进一步对所述非色散红外光谱检测系统10进行了稳定性分析，具体包括：测试CO2和CH4吸收波段以外的一个窄波段的信号，即选用一个中心波长处于CO2和CH4吸收波段以外的参考滤光片来监视系统得到的电信号。在测试中采用中心波长为2.33um的滤光片作为参考滤光片来记录光源信号的波动，其半峰全宽只有50nm。在测试中，由于锁相放大器的精度为0.0001mV，因此所述非色散红外光谱检测系统10能够迅速对气体浓度变化之后的信号得到精确的反映。
请参阅图12，分别为实施例1中CO2为单一目标气体测试时，以及实施例3中CO2和CH4混合目标气体的测试时，信号强度随着CO2的流速比的变化曲线，信号强度为信号值与气体腔室内全是Ar气时的信号值的比值。由图12可以看出，探测到的信号强度随着目标气体CO2的浓度增大而减小，而且，实施例1中CO2单一气体测试时和实施例3中CO2和CH4混合气体测试的结果吻合很好，二者几乎相等，说明所述非色散红外光谱检测系统10对CO2气体的检测结果可重复且稳定性好。
请参阅图13，为实施例2中CH4为单一目标气体测试时，以及实施例3中CO2和CH4混合目标气体的测试时，信号强度随着CH4的流速比的变化曲线，信号强度为信号值与气体腔室内全是Ar气时的信号值的比值。由图13可以看出，CH4单一气体测试和CO2和CH4混合气体测试的结果吻合很好，二者几乎相等，说明所述非色散红外光谱检测系统10对CH4气体的检测结果可重复且稳定性好。
请参阅图14，为实施例3中参考滤光片探测得到的信号。由图14可以看出，所述参考滤光片探测得到的信号非常稳定，也就是说不在目标气体吸收波段内的非常窄的红外波段的信号值非常稳定，进而说明所述碳纳米管膜状结构在加热情况下辐射的信号很稳定，且所述非色散红外光谱检测系统10也是稳定可靠重复性高的。
从气体测试结果可知，只要将气体的流速比例取得足够密，就可以由其信号曲线推测任意比例的CO2和CH4。此外，将气体换成其它种类的气体，如NO、NO2、NH3、SO2等，只要用工作波长含其相应的气体吸收峰值的窄带滤光片，即可对相应的气体进行分析，也能分辨混合气体中所含气体的种类并得到其浓度。当然，所述非色散红外光谱检测系统10并不限定于测试所述实施例1-3中的几种气体，该非色散红外光谱检测系统10还可以对N2O、CO、SO2、NH3、乙醇、苯等化合物以及其它挥发性有机物进行检测。
本发明提供的非色散红外光谱检测系统包括一电调制光源，该电调制光源包括一碳纳米管膜状结构，该碳纳米管膜状结构能够辐射出很宽的光谱，增大碳纳米管膜状结构的加载电压或者增大碳纳米管膜状结构中的超顺排碳纳米管膜的层数和沿电流方向的长度就可以增大其辐射功率，因此该电调制光源具有灵活的可调性。所述电调制光源可以实现大于等于150KHz的调制频率，且能够在大约几ms甚至几百μs的时间内迅速升温和冷却，调制响应较快。本发明的非色散红外光谱检测系统只需给电调制光源加载电压即可以改变其辐射性能，没有机械调制部分，调制响应全部决定于碳纳米管膜状结构，操作简单且不影响光路。且所述电调制光源为一碳纳米管膜状结构，制备过程非常简单且可快速大面积制备，性能稳定容易保存，制作成本很低；可以实现大尺寸的电调制光源，进而通过同时使用多个不同波长的滤光片，所述非色散红外光谱检测系统可以实现对多种气体同时进行检测。所述碳纳米管膜状结构在真空中能达到非常高的温度。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种电调制光源，其特征在于，该电调制光源包括一碳纳米管膜状结构，该电调制光源在加载电压后在小于10毫秒的时间内升温至最高温度并发出白炽光，在去除电压后在小于10毫秒的时间内降温至其初始温度，所述电调制光源的调制频率大于等于150KHz。
2.如权利要求1所述的电调制光源，其特征在于，所述碳纳米管膜状结构包括至少一个超顺排碳纳米管膜或者/和多条碳纳米管线。
3.如权利要求2所述的电调制光源，其特征在于，所述碳纳米管膜状结构包括多个层叠铺设的超顺排碳纳米管膜，且相邻两层的超顺排碳纳米管膜中的碳纳米管之间的交叉角等于90度。
4.如权利要求2所述的电调制光源，其特征在于，所述碳纳米管膜状结构包括10层超顺排碳纳米管膜层叠设置。
5.如权利要求3所述的电调制光源，其特征在于，在800℃至1200℃的温度范围内，在可见光波段，加载电压后所述碳纳米管膜状结构的上升时间为3毫秒～4毫秒，加载电压去除后所述碳纳米管膜状结构的下降时间为600微秒～1毫秒。
6.如权利要求3所述的电调制光源，其特征在于，在800℃至1200℃的温度范围内，在红外光波段，加载电压后所述碳纳米管膜状结构的上升时间为2毫秒～3毫秒，加载电压去除后所述碳纳米管膜状结构的下降时间为5毫秒。
7.一种非色散红外光谱检测系统，包括：一光源、一真空腔、一气体腔室、一第一窗片、一第二窗片、一窄带滤光片、以及一探测器，所述光源位于所述真空腔内，所述真空腔包括一窗口，所述第一窗片固定在该窗口处，所述气体腔室直接连接在第一窗片处，且所述光源与气体腔室中的气体隔绝，将该第一窗片处的气体腔室的一侧定义为第一侧，气体腔室中与该第一侧相对的一侧定义为第二侧，所述第二窗片固定在所述气体腔室的第二侧，其特征在于，所述光源为如权利要求1-6任一项中的电调制光源。
8.如权利要求7所述的非色散红外光谱检测系统，其特征在于，进一步包括一锁相放大器，所述探测器上接收到的信号输入到所述锁相放大器中。
9.一种气体检测的方法，具体包括：
步骤S1：提供如权利要求7-9任一项中的非色散红外光谱检测系统；
步骤S2：将待测气体注入到所述气体腔室中；以及
步骤S3：对所述电调制光源施加电压，进而使得该电调制光源发出热辐射，光路依次经过第一窗片、气体腔室、第二窗片、滤光片之后被探测器探测到。
10.如权利要求9所述的气体检测的方法，其特征在于，所述待测气体选自CO2、CH4、N2O、CO、SO2、NH3、乙醇、和苯中的一种或多种。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116183486A (zh) * 2021-11-26 2023-05-30 清华大学 电调制光源、非色散红外光谱检测系统及气体检测方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090085461A1 (en) * 2007-09-28 2009-04-02 Tsinghua University Sheet-shaped heat and light source, method for making the same and method for heating object adopting the same
US20100245215A1 (en) * 2009-03-27 2010-09-30 Tsinghua University Incandescent light source display and method for making the same
US20110318258A1 (en) * 2010-06-29 2011-12-29 Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. Method for making carbon nanotube structure
US20130087758A1 (en) * 2010-04-28 2013-04-11 Keio University Carbon nanotube light emitting device, light source, and photo coupler
CN103366644A (zh) * 2012-03-30 2013-10-23 清华大学 白炽光源及白炽光源显示装置的制备方法
US20210025813A1 (en) * 2018-03-16 2021-01-28 Keio University Infrared analysis system, infrared analysis chip, and infrared imaging device
TWI803087B (zh) * 2021-11-26 2023-05-21 鴻海精密工業股份有限公司 電調製光源、非色散紅外光譜檢測系統及氣體檢測方法

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8921473B1 (en) * 2004-04-30 2014-12-30 Sydney Hyman Image making medium
CN100411979C (zh) * 2002-09-16 2008-08-20 清华大学 一种碳纳米管绳及其制造方法
US8926933B2 (en) * 2004-11-09 2015-01-06 The Board Of Regents Of The University Of Texas System Fabrication of twisted and non-twisted nanofiber yarns
CN100500556C (zh) * 2005-12-16 2009-06-17 清华大学 碳纳米管丝及其制作方法
US8729787B2 (en) * 2006-12-18 2014-05-20 Micron Technology, Inc. Field emission devices and methods for making the same
CN101820036B (zh) * 2009-02-27 2013-08-28 清华大学 一种发光二极管的制备方法
US9505615B2 (en) * 2011-07-27 2016-11-29 California Institute Of Technology Method for controlling microstructural arrangement of nominally-aligned arrays of carbon nanotubes
JP6821575B2 (ja) * 2015-02-03 2021-01-27 ナノコンプ テクノロジーズ，インク． カーボンナノチューブ構造体およびその生成のための方法
WO2017131061A1 (ja) * 2016-01-29 2017-08-03 日立造船株式会社 カーボンナノチューブ糸の製造方法
CN108731824B (zh) * 2017-04-20 2020-02-07 清华大学 一种太赫兹波波长检测装置
EP3710802A1 (en) * 2017-11-16 2020-09-23 MultiSensor Scientific, Inc. Systems and methods for multispectral imaging and gas detection using a scanning illuminator and optical sensor
CN110119033B (zh) * 2018-02-05 2020-08-11 清华大学 红外成像系统
US10593826B2 (en) * 2018-03-28 2020-03-17 Cambridge Gan Devices Limited Infra-red devices
WO2019241126A1 (en) * 2018-06-11 2019-12-19 N5 Sensors, Inc. Carbon dioxide sensing device and method having an array of sensors on a single chip
EP4012383B1 (en) * 2018-10-30 2023-12-20 Sciosense B.V. Electro-thermal based device and method for operating a heater
CN111128637B (zh) * 2018-11-01 2021-02-26 清华大学 场发射体的制备方法
CN111121981B (zh) * 2018-11-01 2021-04-02 清华大学 黑体辐射源的制备方法
CN111115616B (zh) * 2018-11-01 2021-12-03 清华大学 碳纳米管阵列的表面修复方法
US11747272B2 (en) * 2019-06-10 2023-09-05 Analog Devices, Inc. Gas detection using differential path length measurement

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090085461A1 (en) * 2007-09-28 2009-04-02 Tsinghua University Sheet-shaped heat and light source, method for making the same and method for heating object adopting the same
US20100245215A1 (en) * 2009-03-27 2010-09-30 Tsinghua University Incandescent light source display and method for making the same
US20130087758A1 (en) * 2010-04-28 2013-04-11 Keio University Carbon nanotube light emitting device, light source, and photo coupler
US20110318258A1 (en) * 2010-06-29 2011-12-29 Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. Method for making carbon nanotube structure
CN103366644A (zh) * 2012-03-30 2013-10-23 清华大学 白炽光源及白炽光源显示装置的制备方法
US20210025813A1 (en) * 2018-03-16 2021-01-28 Keio University Infrared analysis system, infrared analysis chip, and infrared imaging device
TWI803087B (zh) * 2021-11-26 2023-05-21 鴻海精密工業股份有限公司 電調製光源、非色散紅外光譜檢測系統及氣體檢測方法

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