CN101109704A - 一种应用新型滤光片的激光粉尘仪的检测和标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用新型滤光片的激光粉尘仪的检测方法，所述激光粉尘仪具有测量通道和参考通道，所述测量通道上设有光发射单元、光接收单元和分析单元；所述光发射单元包括激光器，所述光接收单元包括光电检测器；所述参考通道上设有参考检测器；所述方法包括以下步骤：a.提供若干个滤光片，所述滤光片的两个透光面间具有大于零的夹角；b.分别把滤光片固定在激光粉尘仪的测量光路中，分别测得所述激光粉尘仪的透过率，根据测得的透过率和每一滤光片的真实透过率值，得到所述激光粉尘仪的误差。所述新型滤光片保证了透过率的稳定性，进而提高了激光粉尘仪检测和标定的准确性，从而提高了激光粉尘仪的测量精度。

Description

一种应用新型滤光片的激光粉尘仪的检测和标定方法

技术领域

本发明涉及激光分析仪器，尤其涉及一种应用新型滤光片的激光粉尘仪的检测和标定方法。

背景技术

激光粉尘仪广泛应用在火电、化工、垃圾焚烧等行业领域中烟气排放中固体颗粒物如粉尘的检测。所述激光粉尘仪可以通过测量光的透过率或光的散射来测量粉尘。如图7所示，一种激光粉尘仪，通过测量激光在被测烟气中的透过率来测量粉尘，所述激光粉尘仪包括光发射单元、光反射单元40、光接收单元和分析单元，所述光发射单元包括半导体激光器10、参考检测器30和分光镜20，所述光接收单元包括光电检测器50。在所述激光粉尘仪出厂前，要进行检测和标定。通常的检测和标定方法为：在测量光路上插入平行平板滤光片，根据所述激光粉尘仪测得的透过率值和所述滤光片的真实透过率值进行检测和标定。

上述滤光片是在平行平板玻璃片表面镀膜或内部掺杂形成。由于两透光面平行，对于激光来说很容易产生干涉现象，如图1所示。当平行激光束1、2入射到滤光片时，激光束1被平行平板玻璃的第一面折射，接着被平行平板玻璃的第二面反射，再被平行平板玻璃的第一面反射后形成反射光束3；入射光束2被平行平板玻璃的第一面折射后形成光束4；上述光束3、4将产生干涉，并且随入射角度θ₁的改变，光束3、4的干涉在相长和相消之间变化。同理，当激光器波长有所变化时，干涉也会在相长和相消之间变化。根据菲涅耳公式可以计算出干涉在相长和相消之间的能量差为总能量的18％左右(平行平板玻璃为K9玻璃，激光波长为655nm)。

由上述可见，由于平行平板滤光片的透过率会随着激光的入射角和激光波长的变化而发生较明显的变化，也即所述平行平板滤光片的透过率的稳定性较差，故而，使用此种平行平板滤光片会造成激光粉尘仪的检测和标定精度较低，进而降低了激光粉尘仪的测量精度。

激光粉尘仪还有另外一种结构形式，利用的技术和上述激光粉尘仪相同，如图8所示，与上述结构形式不同的是，不再使用光反射单元。但该种激光粉尘仪在使用平行平板滤光片进行检测和标定时具有和上述激光粉尘仪同样的不足。

发明内容

本发明主要目的是克服现有技术中的不足，提供了一种应用透过率稳定性较好的新型滤光片的激光粉尘仪的检测和标定方法。

本发明的目的主要是通过下述技术方案得以实现的：

一种应用新型滤光片的激光粉尘仪的检测方法，所述激光粉尘仪具有测量通道和参考通道，所述测量通道上设有光发射单元、光接收单元和分析单元；所述光发射单元包括激光器，所述光接收单元包括光电检测器；所述参考通道上设有参考检测器；所述方法包括以下步骤：

a.提供若干个滤光片，所述滤光片的两个透光面间具有一大于零的夹角；

b.分别把所述若干个滤光片固定在激光粉尘仪的测量光路中，分别测得所述激光粉尘仪的透过率。根据所述测得的透过率和每一滤光片的真实透过率值，得到所述激光粉尘仪的误差。

作为优选，所述夹角小于15度。

作为优选，所述激光粉尘仪的透过率的计算方法为： $T=\mathrm{\η}\·\frac{D_1-D_0}{M_1-M_0},$ 其中，η为归一化系数；D₁为所述光电检测器在激光器开启时测得的信号，D₀为所述光电检测器在激光器关闭时测得的信号，M₁为所述参考探测器在激光器开启时测得的信号，M₀为参考探测器在激光器关闭时测得的信号。

作为优选，所述步骤b中误差包括线性误差δ_L，线性误差δ_L的计算方法为： ${\mathrm{\δ}}_L=\frac{\mathrm{\Δ}{A}_{\max }}{R}\×100\%,$ 其中ΔA_max为每一所述滤光片的真实透过率值和实际测量值的最大偏差(绝对值)，R为所述激光粉尘仪的量程。

本发明还公开了一种激光粉尘仪的标定方法，所述激光粉尘仪具有测量通道和参考通道，所述测量通道上设有光发射单元、光接收单元和分析单元；所述光发射单元包括激光器，所述光接收单元包括光电检测器；所述参考通道上设有参考检测器；所述标定方法包括步骤：

a.提供若干个滤光片，所述滤光片的两个透光面间具有一大于零的夹角；

b.分别把若干个滤光片固定在激光粉尘仪的测量光路中，分别测得所述激光粉尘仪的透过率；

c.根据所述激光粉尘仪测得的透过率值和滤光片的真实透过率值，得到标定系数。

作为优选，所述夹角小于15度。

根据激光干涉理论分析和实验表明，本发明与现有技术相比具有以下优点：当滤光片的两透光面为非平行，也即具有一大于零的夹角的情况下，当光束入射角度或激光波长发生改变时激光光束的透过率变化很小，而且透过率长时间的稳定性也较好。因此，在激光粉尘仪的检测和标定中应用所述新型滤光片时，能够较显著地提高检测和标定的精度，进而提高了激光粉尘仪的测量精度。

附图说明

图1是激光束在平行平板滤光片中的干涉示意图；

图2是激光束在非平行平板滤光片中的光路示意图；

图3是改变激光束到平行平板滤光片的入射角度时透过率的变化曲线；

图4是改变激光束到非平行平板滤光片的入射角度时透过率的变化曲线；

图5给出用激光粉尘仪测得平行平板滤光片的透过率的长时间稳定性；

图6给出用激光粉尘仪测得非平行平板滤光片的透过率的长时间稳定性；

图7是一种激光粉尘仪的结构示意图；

图8是另一种激光粉尘仪的结构示意图；

图9是一种激光粉尘仪的检测和标定示意图；

图10是激光粉尘仪测得的透过率值和滤光片的真实透过率值比较示意图；

图11是标定曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

如图2，9所示，一种新型滤光片，滤光片的两个透光面间具有一大于零的夹角，也即两个面具有一楔角。激光束1、2以一定倾角射入所述滤光片中，其中光束1在进入滤光片后又在第二面上反射，再在第一面上反射。由图可见，反射光束3与入射光束2被滤光片折射后的光束4不平行，这样滤光片多次反射产生的光束3就无法到达激光粉尘仪的光电检测器上，从而避免了激光的多光束干涉现象。

把一平行平板滤光片放置在激光光路中，不断地转动平行平板滤光片来改变激光在滤光片上的入射角，然后测得激光在平行平板滤光片中的透过率(透过率为往返透过率，即光线透过两次)曲线，如图3所示，实验时间从9:50到10:30。把上述平行平板滤光片改成有一定楔角滤光片的透过率，不断转动该滤光片来改变激光的入射角，测得激光通过该滤光片后的透过率变化曲线，如图4所示，实验时间从15:33到15:38。两次实验除了使用不同的滤光片外，其它实验装置均相同。图3、图4中横坐标表示实验的时间，纵坐标表示透过率值。通过两次实验可以明显看出，平行平板滤光片的透过率随入射角度变化的幅度约为10％，而楔角滤光片透过率变化幅度仅有0.4％，可见，楔角滤光片很好地消除了干涉现象，进而提高了透过率的稳定性。

把一平行平板滤光片固定在激光光路中，保证激光的入射角不变，测得激光通过所述滤光片后的透过率随时间变化的曲线，如图5所示，实验时间从晚上21:00到第二天的8:00。而图6表示的长时间稳定性中使用了有楔角的滤光片。两次实验除了使用不同的滤光片外，其它实验装置均相同。从图中可以看出，有楔角的滤光片长时间的稳定性明显好于平行平板滤光片，原因是长时间内激光器发射波长会有一定的变化，随着波长的变化，干涉导致激光透过率发生变化。

一种激光粉尘仪，如图7所示，所述激光粉尘仪具有测量通道和参考通道；所述测量通道上依次设置有光发射单元、光反射单元40、光接收单元和分析单元。所述光发射单元包括半导体激光器10、分光镜20；所述光接收单元包括光电检测器50，所述参考通道上设置有参考检测器30。

本发明还揭示了一种激光粉尘仪的检测方法，也即上述激光粉尘仪的检测过程，所述方法包括以下步骤：

a.提供若干个滤光片60，如图2所示，所述滤光片60的两个透光面间具有一大于零的夹角，本实施例为5°；

b.分别把若干个滤光片60固定在激光粉尘仪的测量光路中，如图9所示，分别记录所述激光粉尘仪测得的透过率值5.652％，12.441％，28.425％，51.872％，79.128％(图10)；

所述激光粉尘仪的透过率的计算方法为： $T=\mathrm{\η}\·\frac{D_1-D_0}{M_1-M_0},$ 其中，η为归一化系数；D₁为所述光电检测器50在激光器10开启时测得的信号，D₀为所述光电检测器50在激光器10关闭时测得的信号，M₁为所述参考探测器30在激光器10开启时测得的信号，M₀为参考探测器30在激光器10关闭时测得的信号。

根据所述测得的透过率值和每一滤光片的真实透过率值(针对所述激光器10所发射的波长而言)5.68％，12.39％，28.61％，51.76％，78.96％，得到所述激光粉尘仪的线性误差为0.185％。

所述线性误差δ_L的计算方法为： ${\mathrm{\δ}}_L=\frac{\mathrm{\Δ}{A}_{\max }}{R}\×100\%=0.19\%,$ ΔA_max是上述每一滤光片的真实透过率值和实际测量值的最大偏差(绝对值)，R为所述激光粉尘仪的量程，本实施例为100％。

实施例2：

一种激光粉尘仪的标定方法，也即实施例2中激光粉尘仪的标定过程，所述标定方法包括以下步骤：

a.与实施例1中检测方法中的步骤a相同

b.与实施例1中检测方法中的步骤b不同的是，不再计算误差；

c.标定步骤；根据所述测得的各透过率值和各滤光片的真实透过率值，得到标定系数，使得当测得的透过率值乘以该标定系数时，对应的是真实的透过率值。

所述标定系数是通过下述方法得到：把各滤光片的真实透过率值除以对应各滤光片的测得透过率值，进而得到与各测得透过率值对应的标定系数：1.005，0.996，1.007，0.998，0.998，再利用所述标定系数拟和出一条标定曲线，如图11所示。

需要指出的是，上述实施方式不应理解为对本发明保护范围的限制。本发明的关键是，在激光粉尘仪的检测和标定过程中应用了一种新型滤光片，所述滤光片的两个透光面间具有一大于零的夹角，这种滤光片抑制了激光的干涉作用，从而大大抑制了激光透过率随入射角、激光波长变化而变化的现象，保证了滤光片透过率的稳定性，进而提高了检测和标定的准确性，从而提高了激光粉尘仪的测量精度。在不脱离本发明精神的情况下，对本发明作出的任何形式的改变均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用新型滤光片的激光粉尘仪的检测方法，所述激光粉尘仪具有测量通道和参考通道，所述测量通道上设有光发射单元、光接收单元和分析单元；所述光发射单元包括激光器，所述光接收单元包括光电检测器；所述参考通道上设有参考检测器；所述方法包括以下步骤：

a.提供若干个滤光片，所述滤光片的两个透光面间具有一大于零的夹角；

b.分别把若干个滤光片固定在激光粉尘仪的测量光路中，分别测得所述激光粉尘仪的透过率

根据所述测得的透过率和每一滤光片的真实透过率值，得到所述激光粉尘仪的误差。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述夹角小于15度。

3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述激光粉尘仪的透过率的计算方法为： $T=\mathrm{\η}\·\frac{D_1-D_0}{M_1-M_0},$ 其中，η为归一化系数；D₁为所述光电检测器在激光器开启时测得的信号，D₀为所述光电检测器在激光器关闭时测得的信号，M₁为所述参考探测器在激光器开启时测得的信号，M₀为参考探测器在激光器关闭时测得的信号。

4.根据权利要求1或2或3所述的检测方法，其特征在于：所述步骤b中误差包括线性误差δ_L，线性误差δ_L的计算方法为： ${\mathrm{\δ}}_L=\frac{\mathrm{\Δ}{A}_{\max }}{R}\×100\%,$ 其中ΔA_max为每一所述滤光片的真实透过率值和实际测量值的最大偏差(绝对值)，R为所述激光粉尘仪的量程。

5.一种激光粉尘仪的标定方法，所述激光粉尘仪具有测量通道和参考通道，所述测量通道上设有光发射单元、光反射单元、光接收单元和分析单元；所述光发射单元包括激光器，所述光接收单元包括光电检测器；所述参考通道上设有参考检测器；所述标定方法包括步骤：

a.提供若干个滤光片，所述滤光片的两个透光面间具有一大于零的夹角；

b.分别把若干个滤光片固定在激光粉尘仪的测量光路中，分别测得所述激光粉尘仪的透过率；

c.根据所述激光粉尘仪测得的透过率值和滤光片的真实透过率值，得到标定系数。

6.根据权利要求5所述的标定方法，其特征在于：所述夹角小于15度。

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