CN101226143B - 一种长光程大气监测仪 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种长光程大气监测仪，其为开放式或为封闭式，包括光学产生部分和信号处理部分，所述的光学产生部分包括：发射器、接收器以及两者之间的用于形成足够光程的多组凹面镜或棱镜，通过光线在凹面镜之间的反射或是在棱镜之间的全反射，从而产生足够的光程；所述的信号处理部分包括，依序连接的光纤、光谱仪、扫描仪、光电探测器以及计算机，所述的输入端与所述的接收器用光纤相连接。

Description

一种长光程大气监测仪
技术领域
本发明涉及的是一种环境测试技术，特别涉及的是一种对大气气体成分和含量进行检测的气体分析仪器。
背景技术
对于长光程DOAS(Differential Optical Absorption Spectroscopy)技术来说，其主要是利用空气中的痕量污染成分对紫外线及可见光波段的吸收特征来进行定性定量分析。它可以同时监测多种痕量气体成分，测量范围可以从100米到数千米，具有较高灵敏度。
通常对于长光程DOAS技术的应用是通过利用设置于高层建筑上的发射器产生光辐射，通过望远镜系统准直传输到大气路径，在另一端(50---200米)安装一个角反射镜将其反射回来。经过大气路径反射回来的光线经光谱仪处理，得到辐射光谱与灯的光谱相比较得到它们的不同而确定大气中的气体成分。由于每个气体都有自己的特征吸收光谱，分析光谱的变化就可以确定吸收气体及气体的浓度。
但是对于现有的长光程大气测试仪器在监测空气中气体浓度时存在以下不足之处：首先长光程大气测试仪的选点、安装，因为在安装时发射器必须在一栋高层建筑上选一个点，在相距100米外为接收器选另一点，中间需避开障碍物，但是往往在仪器安装使用一段时间后，在两点间可能产生新的障碍物，这就存在第二次选点的问题；
其次由于这种远距离的选点设置不利于对长光程大气测试仪进行维修，花费人力和时间，效率差。
为克服上述缺陷，本发明创作者经过长期的研究和试验终于获得了本创作。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种长光程大气监测仪，用以克服上述缺陷。
为实现上述目的本发明采用的技术方案在于，首先提供一种长光程大气监测仪，其为开放式，包括光学产生部分和信号处理部分，所述的光学产生部分包括：发射器，在与所述的发射器发射光线的光路上设置有一第一平面反射镜，经过第一平面镜发射后光线的光路上设置有一第一凹面镜，在所述的第一凹面镜反射后光线的光路上设置有一第二凹面镜，在所述的第二凹面镜反射后光线的光路上设置有一第三凹面镜，第四凹面镜设置于所述第三凹面镜反射光线的光路上，在所述的第四凹面镜反射后光线的光路上设置有一接收器；
所述的信号处理部分包括，依序连接的光纤、光谱仪、扫描仪、光电探测器以及计算机，所述的输入端与所述的接收器用光纤相连接；
较佳的，还包括位置调整单元包括：光学支架、旋转机构以及动力装置，所述的光学产生部分设置在所述的光学支架上，所述的旋转机构的输出端与所述的光学支架相固接，使所述的光学支架产生旋转，所述的旋转机构的输入端与所述的动力装置的输入端相连接，为所述的旋转机构提供动力；
较佳的，所述的光学产生部分分为：第一光学组件，其是由所述的第一凹面镜、第三凹面镜组成；
第二光学组件，其是由所述的发射器、第二凹面镜、第四凹面镜以及接收器组成，所述的第一光学组件以及所述的第二光学组件分别设置于所述的光学支架的两端，所述的第一光学组件与所述的第二光学组件之间的距离为0.3米至20米之间；
较佳的，所述的旋转机构包括：旋转轴、轴承以及齿轮传动机构，所述的齿轮传动机构包括主动齿轮和从动齿轮，所述的从动齿轮固设在所述的旋转轴上，并与所述的主动齿轮相啮合，所述的轴承套在所述的旋转轴上，所述的旋转机构的输入端为旋转轴的输出端；
较佳的，还包括变速箱，所述的变速箱的输出轴与所述的主动齿轮相连接，所述的变速箱的输入端与所述的动力装置的输出端相连接；
较佳的，还包括风向仪，所述的风向仪与所述的计算机相连接，所述的计算机与所述的动力装置的控制端相连接，所述的动力装置为电机；
较佳的，还包括第一透镜，其设置于所述的发射器与所述的第一平面反射镜之间；
较佳的，所述的第一凹面镜、第二凹面镜、第三凹面镜和第四凹面镜的曲率半径在20厘米至500厘米之间；
较佳的，所述第一平面反射镜和各凹面镜使用材料为石英或紫外光学石英玻璃材料，其反射面镀金或银，同时镀保护膜；
其次提供一种长光程大气监测仪，其为封闭式，包括光学产生部分和信号处理部分，其中，所述的光学产生部分设置在一封闭体内，所述的封闭体具有一被测气体入口以及气体出口；
所述的光学产生部分包括：发射器，其位于所述封闭体外侧的，在所述的封闭体的侧壁上相对应的设置有复数个棱镜，其中第一棱镜，接收所述发射器发出的光线，在透过第一棱镜光线的光路上设置有一第二棱镜，在所述的第二棱镜全反射后光线的光路上设置有一第三棱镜，在所述的第三棱镜全反射后光线的光路上设置有一第四棱镜，在所述的第三棱镜全反射后光线的光路上设置有一第四棱镜，直至第2k-1棱镜全反射后光线的光路上设置有第2k棱镜，在所述的封闭体外侧设有一光电接收器接收透过第2k棱镜的光线，其中，k为自然数，且大于等于2；
所述的信号处理部分包括，依序连接的光纤、光谱仪、扫描仪、光电探测器以及处理器，所述的光纤的输入端与所述的光电接收器相连；
较佳的，所述的封闭体内设有洁净的空气幕。
与现有技术比较本发明的有益效果在于，本发明由一体化光学系统代替了原来两个分散的光学系统，使整个系统的寿命得到了大幅提高，由于采用了计算机控制该系统转动使得测量值更准确；
由于该光学系统采用一体化设计，克服传统的光学系统所产生光对周围环境的影响，从使用维护方面来看，安装只在一个位置进行，校正成为可能，调试简单化，维护方便；
由于采用了上述技术，本发明结构简单，使用寿命长，检测精度高，可用于在线检测。
附图说明
图1为本发明长光程大气监测仪较佳实施例一的结构简图；
图2为本发明长光程大气监测仪较佳实例一的光学产生部分的结构简图；
图3为本发明长光程大气监测仪较佳实例二的结构简图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
请参阅图1所示，本发明长光程大气监测仪的结构简图，包括光学产生部分和信号处理部分，所述的光学产生部分用以产生足够光程的光路，其包括第一光学组件11以及第二光学组件12，所述的信号处理部分对接收到光线的物理特征进行分析，得出大气环境状况，所述的信号处理部分包括，依序连接的光纤21、光谱仪22、扫描仪23、光电探测器24以及计算机25；
还包括：还包括位置调整单元包括：光学支架31、旋转机构以及动力装置33，所述的光学产生部分设置在所述的光学支架31上，所述的旋转机构的输出端与所述的光学支架31相固接，使所述的光学支架31产生旋转，所述的旋转机构的输入端与所述的动力装置33的输出端相连接，为所述的旋转机构提供动力，其中，所述的旋转机构包括：旋转轴321、轴承322以及齿轮传动机构，所述的齿轮传动机构包括主动齿轮3231和从动齿轮3232，所述的从动齿轮3232固设在所述的旋转轴321上，并与所述的主动齿轮3231相啮合，所述的轴承322套在所述的旋转轴321上，所述的旋转机构的输入端为旋转轴321的输出端，还包括变速箱34，所述的变速箱34的输出轴与所述的主动齿轮3231相连接，所述的变速箱34的输入端与所述的动力装置33的输出端相连接，本发明还包括风向仪35，所述的风向仪35与所述的计算机25相连接，所述的计算机25与所述的动力装置33的控制端相连接，所述的动力装置33为电机，计算机25通过风向仪35传来的方向参数来控制电机带动位置调整单元中光学支架31转动方向和转动角度，使得测量值更接近真实。
请参阅图2所示，其为本发明长光程大气监测仪较佳实例一的光学产生部分的结构简图；其为开放式的，所述的光学产生部分包括：一发射器121其由氙灯发出紫外光，在与所述的发射器121发射光线的光路上设置有一第一平面反射镜122，还包括第一透镜123，其设置于所述的发射器121与所述的第一平面反射镜122之间，用以聚光，经过第一平面镜122发射后光线的光路上设置有一第一凹面镜111，在所述的第一凹面镜111反射后光线的光路上设置有一第二凹面镜124，在所述的第二凹面镜124反射后光线的光路上设置有一第三凹面镜112，第四凹面镜125设置于所述第三凹面镜112反射光线的光路上，在所述的第四凹面镜125反射后光线的光路上设置有一接收器126，这样光在第一凹面镜111、第二凹面镜124和第三凹面镜112之间多次来回反射，使光程达到所需要的值(200米至1000米)，通过第三凹面镜112将光反射到第四凹面镜125上，最后通过第四凹面镜125将光汇聚到接收器126上，此时该光学系统完成该系统的任务，所述的信号处理部分2的光纤21的输入端与所述的接收器126相连接进行处理；所述的第一凹面镜111、第二凹面镜124、第三凹面镜112和第四凹面镜125的曲率半径在20厘米至500厘米之间，所述第一平面反射镜122和各凹面镜使用材料为石英或紫外光学石英玻璃材料，其反射面镀金或银，同时镀保护膜；其中，所述的第一光学组件11，其是由所述的第一凹面镜111、第三凹面镜112组成；所述的第二光学组件12，其是由所述的发射器121、第二凹面镜124、第四凹面镜125以及接收器126组成，所述的第一光学组件11以及所述的第二光学组件12分别设置于所述的光学支架31的两端，所述的第一光学组件11与所述的第二光学组件12之间的距离为0.3米至20米之间；
请参阅图3所示，其为本发明长光程大气监测仪较佳实例二的结构简图，其为封闭式的，包括光学产生部分1’和信号处理部分2’，其中，所述的光学产生部分1’设置在一封闭体内4’，所述的封闭体4’具有一被测气体入口41’以及一被测气体出口42’，其内设有洁净的空气幕43’；
所述的光学产生部分1’包括：发射器11’，其为一光源，位于所述封闭体4’外侧的，在所述的封闭体4’的侧壁上相对应的设置有复数个棱镜，其中一第一棱镜12’，接收所述发射器11’发出的光线，在透过第一棱镜12’光线的光路上设置有一第二棱镜13’，在所述的第二棱镜13’全反射后光线的光路上设置有一第三棱镜14’，在所述的第三棱镜14’全反射后光线的光路上设置有一第四棱镜15’，在所述的第三棱镜14’全反射后光线的光路上设置有一第四棱镜15’，直至第2k-1棱镜全反射后光线的光路上设置有第2k棱镜，在所述的封闭体4外侧设有一光电接收器16’接收透过第2k棱镜的光线，在设定的多块棱镜来回反射，最终使光程达到所需要的200米～1000米，其中，k为自然数，且大于等于2，k取值越大，则相对棱镜之间的距离越近，也就是所述的封闭体4’的长度越小，这里k如取6，则共需要12块棱镜，即从所述的第一棱镜至第十二棱镜；
所述的信号处理部分包括，依序连接的光纤21’、光谱仪22’、扫描仪23’、光电探测器24’以及计算机25’，所述的光纤21’的输入端与所述的光电接收器16’相连。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种长光程大气监测仪，其为开放式，包括光学产生部分和信号处理部分，其特征在于：所述的光学产生部分包括：发射器，在与所述的发射器发射光线的光路上设置有第一平面反射镜，经过第一平面反射镜反射后光线的光路上设置有一第一凹面镜，在所述的第一凹面镜反射后光线的光路上设置有一第二凹面镜，在所述的第二凹面镜反射后光线的光路上设置有一第三凹面镜，第四凹面镜设置于所述第三凹面镜反射光线的光路上，在所述的第四凹面镜反射后光线的光路上设置有一接收器；
所述的信号处理部分包括，依序连接的光纤、光谱仪、扫描仪、光电探测器以及计算机，所述的光纤的输入端与所述的接收器相连接；
还包括一位置调整单元包括：光学支架、旋转机构以及动力装置，所述的光学产生部分设置在所述的光学支架上，所述的旋转机构的输出端与所述的光学支架相固接，使所述的光学支架产生旋转，所述的旋转机构的输入端与所述的动力装置的输出端相连接，为所述的旋转机构提供动力。
2.根据权利要求1所述的长光程大气监测仪，其特征在于：所述的光学产生部分分为：第一光学组件，其是由所述的第一凹面镜、第三凹面镜组成；
第二光学组件，其是由所述的发射器、第二凹面镜、第四凹面镜以及接收器组成，所述的第一光学组件以及所述的第二光学组件分别设置于所述的光学支架的两端，所述的第一光学组件与所述的第二光学组件之间的距离为0.3米至20米之间。
3.根据权利要求1所述的长光程大气监测仪，其特征在于：所述的旋转机构包括：旋转轴、轴承以及齿轮传动机构，所述的齿轮传动机构包括主动齿轮和从动齿轮，所述的从动齿轮固设在所述的旋转轴上，并与所述的主动齿轮相啮合，所述的轴承套在所述的旋转轴上，所述的旋转机构的输入端为旋转轴的输出端。
4.根据权利要求3所述的长光程大气监测仪，其特征在于：还包括一变速箱，所述的变速箱的输出轴与所述的主动齿轮相连接，所述的变速箱的输入端与所述的动力装置的输出端相连接。
5.根据权利要求1所述的长光程大气监测仪，其特征在于：还包括一风向仪，所述的风向仪与所述的计算机相连接，所述的计算机与所述的动力装置的控制端相连接，所述的动力装置为电机。
6.根据权利要求1所述的长光程大气监测仪，其特征在于：还包括第一透镜，其设置于所述的发射器与所述的第一平面反射镜之间。
7.根据权利要求1所述的长光程大气监测仪，其特征在于：所述的第一凹面镜、第二凹面镜、第三凹面镜和第四凹面镜的曲率半径在20厘米至500厘米之间。
8.根据权利要求1所述的长光程大气监测仪，其特征在于：所述第一平面反射镜和各凹面镜使用材料为石英或紫外光学石英玻璃材料，其反射面镀金或银，同时镀保护膜。
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