CN102621106A - 多倍光程反射腔体 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多倍光程反射腔体，它包括架体、安装在架体上的两个曲率半径相同的球面凹面反射镜、配套的光线发射器和光电探测器，两个球面凹面反射镜的光线反射面相对且同轴平行设置；第一球面凹面反射镜上开设有光线入射穿孔，光线发射器对应光线入射穿孔设置并安装在第一球面凹面反射镜的背光面；第一或第二球面凹面反射镜上开设有光线出射穿孔，光电探测器对应光线出射穿孔设置并安装在第一或第二球面凹面反射镜的背光面；光线出射穿孔对应自光线入射穿孔入射的光线经N次反射在第一球面凹面反射镜的光线反射面形成的光斑设置，或对应在第二球面凹面反射镜的光线反射面形成的光斑设置；N是自然数。该腔体具有灵敏度高、量程宽的优点。

Description

多倍光程反射腔体

技术领域

本发明涉及一种基于光谱吸收原理的传感器，具体的说，涉及了一种用于传感器的多倍光程反射腔体。

背景技术

基于光谱吸收原理的传感器具有测量灵敏度高、气体鉴别能力强、响应速度快等特点，其具有广泛的应用前景；但是，目前所采用的腔体大多为单光路腔体，即，在腔体的一端发射光信号，在腔体的另一端接收光信号；由于标准机箱规格的限制，单光路腔体的光程通常不超过0.2m；根据比尔－朗伯特（Beer－Lambert）定律，采用单光程腔体所做的仪器，由于测量光程短，其测量灵敏度通常较低，仅限于高浓度气体的测量；而常规的多次反射腔体往往因结构原因，使得组装、调整困难，且易发生变形，致使测量灵敏度不可靠。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供了一种结构简单、易于调整、抗干扰能力强、检测灵敏度高、检测量程范围宽、集成度高的反射腔体。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种奇数倍光程反射腔体，它包括架体、安装在所述架体上的两个球面凹面反射镜、光线发射器和与所述光线发射器配套的光电探测器；其中，两个所述球面凹面反射镜的曲率半径相同且同轴平行设置，两个所述球面凹面反射镜的光线反射面相对设置；第一所述球面凹面反射镜上开设有光线入射穿孔，所述光线发射器对应所述光线入射穿孔设置并安装在第一所述球面凹面反射镜的背光面；第二所述球面凹面反射镜上开设有光线出射穿孔，所述光电探测器对应所述光线出射穿孔设置并安装在第二所述球面凹面反射镜的背光面；所述光线出射穿孔对应自所述光线入射穿孔入射的光线经N次反射在第二所述球面凹面反射镜的光线反射面形成的光斑设置；N是不小于1的自然数。

基于上述，它包括M组配套的光线发射器和光电探测器；第一所述球面凹面反射镜上分别开设有M个光线入射穿孔，M组所述光线发射器分别对应M个所述光线入射穿孔设置；第二所述球面凹面反射镜上分别开设有M个光线出射穿孔，M组所述光电探测器分别对应M个所述光线出射穿孔设置；M个光线入射穿孔与M个光线出射穿孔呈一一对应关系，且第i所述光线出射穿孔对应自第i所述光线入射穿孔入射的光线经Ni次反射在第二所述球面凹面反射镜的光线反射面形成的光斑设置；M是不小于2的自然数，i是不小于1且不大于M的自然数，Ni是不小于1且不大于N的自然数。

基于上述，M组光线发射器和光电探测器完全相同，第i所述光线入射穿孔与第i所述光线出射穿孔之间构成Ni次反射光程，且M个光线入射穿孔与M个光线出射穿孔之间构成的M个光程的反射次数不同。

基于上述，M组光线发射器和光电探测器不完全相同。

一种偶数倍光程反射腔体，它包括架体、安装在所述架体上的两个球面凹面反射镜、光线发射器和与所述光线发射器配套的光电探测器；其中，两个所述球面凹面反射镜的曲率半径相同且同轴平行设置，两个所述球面凹面反射镜的光线反射面相对设置；第一所述球面凹面反射镜上分别开设有光线入射穿孔和光线出射穿孔，所述光线发射器对应所述光线入射穿孔设置并安装在第一所述球面凹面反射镜的背光面，所述光电探测器对应所述光线出射穿孔设置并安装在第一所述球面凹面反射镜的背光面；所述光线出射穿孔对应自所述光线入射穿孔入射的光线经N次反射在第一所述球面凹面反射镜的光线反射面形成的光斑设置；N是不小于2的自然数。

基于上述，它包括M组配套的光线发射器和光电探测器；第一所述球面凹面反射镜上分别开设有M个光线入射穿孔和M个光线出射穿孔，M个所述光线发射器分别对应M个所述光线入射穿孔设置，M个所述光电探测器分别对应M个所述光线出射穿孔设置；M个光线入射穿孔与M个光线出射穿孔呈一一对应关系，且第i所述光线出射穿孔对应自第i所述光线入射穿孔入射的光线经Ni次反射在第一所述球面凹面反射镜的光线反射面形成的光斑设置；M是不小于2的自然数，i是不小于1且不大于M的自然数，Ni是不小于2且不大于N的自然数。

基于上述，M组光线发射器和光电探测器完全相同，第i所述光线入射穿孔与第i所述光线出射穿孔之间构成Ni次反射光程，且M个光线入射穿孔与M个光线出射穿孔之间构成的M个光程的反射次数不同。

基于上述，M组光线发射器和光电探测器不完全相同。

该反射腔体在不增加腔体尺寸的情况下，通过光束的多次反射，来增加光程，从而大大提高检测气体的灵敏度，并且通过集成单倍光程和多倍光程，不但大大提高了检测灵敏度，而且扩大了检测量程，另外，还可集成多个通道，采用不同波长的光线发射器，可以同时测量多种气体；该反射腔体结构简单、易于调整，并且对小的结构扰动具有固有的结构稳定性，容差大，牢固可靠；其具有结构简单、易于调整、抗干扰能力强、检测灵敏度高、检测量程范围宽、集成度高的优点。

附图说明

图1是光线在两个球面凹面反射镜之间反射路径的结构示意图。

图2是两个球面凹面反射镜上形成的光斑的分布图。

图3是实施例1的结构示意图。

图4是实施例2的结构示意图。

图5是实施例4的结构示意图。

图6是实施例5的结构示意图。

图7是实施例7的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

如图3所示，一种奇数倍光程反射腔体，它包括架体7、分别安装在所述架体7上的球面凹面反射镜1和球面凹面反射镜2、光线发射器3和与所述光线发射器3配套使用的光电探测器4。

其中，所述球面凹面反射镜1和所述球面凹面反射镜2的曲率半径相同且同轴平行设置，所述球面凹面反射镜1和所述球面凹面反射镜2的光线反射面相对设置。

所述球面凹面反射镜1上开设有光线入射穿孔5，所述光线发射器3对应所述光线入射穿孔5设置并安装在所述球面凹面反射镜1的背光面。

所述球面凹面反射镜2上开设有光线出射穿孔6，所述光电探测器4对应所述光线出射穿孔6设置并安装在所述球面凹面反射镜2的背光面。

所述光线出射穿孔6对应自所述光线入射穿孔5入射的光线经N次反射在所述球面凹面反射镜2的光线反射面形成的光斑设置；N是不小于1的自然数，即，所述光斑可以是在所述球面凹面反射镜2的光线反射面形成的任意一个光斑。

不难看出，所述光线入射穿孔5与所述光线出射穿孔6之间构成了N次反射光程；在球面凹面反射镜的曲率半径以及两个球面凹面反射镜之间距离一定的条件下，根据光线入射角度，N的最大值是一定的；实际应用中，根据具体需要，可以人为选择合适的N值，N值的选择决定了光线的反射次数，进而决定了反射光程的大小；换言之，该反射腔体可以是单倍光程的反射腔体，也可以是其它奇数倍光程的反射腔体。

光线经多次反射，使得该反射腔体的光程变长，进而检测气体的灵敏度变高，但是，气体检测量程相对来说会减小。

理论说明：采用两个相距为d且曲率半径均为R的球面凹面反射镜，使二者的光线反射面相对并且同轴平行设置，如图1所示，当一束光线从第一球面凹面反射镜的某一入射点入射，该束光线会在两个球面凹面反射镜之间发生多次反射；反射光斑分布如图2所示，其中，实心圆点表示第一球面凹面反射镜上的形成的光斑，空心圆圈表示第二球面凹面反射镜上的形成的光斑，相邻次数反射形成的光斑之间的夹角为θ。

当满足以下条件时，该束光线经过多次反射后，光线从与第一球面凹面反射镜的入射点相同的那一点出射：cos(θ)=1-d/R，N|θ|=2Xπ；其中，N为自然数，表示反射次数，X为正整数，表示完成N次反射需要X个2π周期。

如果入射点和出射点是在同一球面凹面反射镜上的同一点，由于二者的夹角很小，若要避免光线发射器和光电探测器在结构上的干涉，如图1所示，则光线发射器或光电探测器距离球面凹面反射镜的距离L就要很长，致使腔体结构件不得不加大，进而浪费了本来可以利用的光程。

 

实施例2

本实施例与实施例1的区别主要在于：如图4所示，它包括M组配套的光线发射器3和光电探测器4。

所述球面凹面反射镜1上分别开设有M个光线入射穿孔5，M组所述光线发射器3分别对应M个所述光线入射穿孔5设置。

所述球面凹面反射镜2上分别开设有M个光线出射穿孔6，M组所述光电探测器4分别对应M个所述光线出射穿孔6设置。

M个光线入射穿孔5与M个光线出射穿孔6呈一一对应关系，且第i所述光线出射穿孔6对应自第i所述光线入射穿孔5入射的光线经Ni次反射在所述球面凹面反射镜2的光线反射面形成的光斑设置。

第i所述光线入射穿孔5与第i所述光线出射穿孔6之间构成Ni次反射光程，且M个光线入射穿孔5与M个光线出射穿孔6之间构成的M个光程的反射次数不同，即，NM>…N2>N1≥1。

M组光线发射器3和光电探测器4完全相同，即，均用于同种气体。

M是不小于2的自然数，i是不小于1且不大于M的自然数，Ni是不小于1且不大于N的自然数。

本实施例可在一个反射腔体上集成多个奇数倍光程，可进一步细化同种气体的检测量程；即，在气体浓度较小时，可采用不同倍数的多倍光程，在气体浓度较大时，可采用单倍光程，这样，既保证了高灵敏度，也兼顾了气体检测量程。

 

实施例3

本实施例与实施例1的区别主要在于：M组光线发射器和光电探测器不完全相同，用于测量不同的气体。

第i所述光线入射穿孔与第i所述光线出射穿孔之间构成Ni次反射光程，M个光线入射穿孔与M个光线出射穿孔之间构成的M个光程的反射次数可根据实际需要确定。

本实施例可在该反射腔体上集成多个通道，用于测量多种不同的气体，即，每一个通道采用不同波长的光线发射器和相应的光电探测器，且每一个通道可采用不同的多倍光程，由此，实现多种不同气体的测量，并根据需要，可以兼顾每种气体的检测灵敏度和检测量程。

 

实施例4

如图5所示，一种偶数倍光程反射腔体，它包括架体7、分别安装在所述架体7上的球面凹面反射镜1和球面凹面反射镜2、光线发射器3和与所述光线发射器3配套使用的光电探测器4。

其中，所述球面凹面反射镜1和所述球面凹面反射镜2的曲率半径相同且同轴平行设置，所述球面凹面反射镜1和所述球面凹面反射镜2的光线反射面相对设置。

所述球面凹面反射镜1上分别开设有光线入射穿孔5和光线出射穿孔6，所述光线发射器3对应所述光线入射穿孔5设置并安装在所述球面凹面反射镜1的背光面，所述光电探测器4对应所述光线出射穿孔6设置并安装在所述球面凹面反射镜1的背光面。

所述光线出射穿孔6对应自所述光线入射穿孔5入射的光线经N次反射在所述球面凹面反射镜1的光线反射面形成的光斑设置。

N是不小于2的自然数，即，所述光斑可以是在所述球面凹面反射镜1的光线反射面形成的任意一个光斑。

不难看出，所述光线入射穿孔5与所述光线出射穿孔6之间构成了N次反射光程；在球面凹面反射镜的曲率半径以及两个球面凹面反射镜之间距离一定的条件下，根据光线入射角度，N的最大值是一定的；实际应用中，根据具体需要，可以人为选择合适的N值，N值的选择决定了光线的反射次数，进而决定了反射光程的大小；换言之，该反射腔体是偶数倍光程的反射腔体。

光线经多次反射，使得该反射腔体的光程变长，进而检测气体的灵敏度变高，但是，气体检测量程相对来说会减小。

 

实施例5

本实施例与实施例4的区别主要在于：如图6所示，它包括M组配套的光线发射器3和光电探测器4。

所述球面凹面反射镜1上分别开设有M个光线入射穿孔5和M个光线出射穿孔6，M个所述光线发射器3分别对应M个所述光线入射穿孔5设置，M个所述光电探测器4分别对应M个所述光线出射穿孔6设置。

M个光线入射穿孔5与M个光线出射穿孔6呈一一对应关系，且第i所述光线出射穿孔6对应自第i所述光线入射穿孔5入射的光线经Ni次反射在所述球面凹面反射镜1的光线反射面形成的光斑设置。

第i所述光线入射穿孔5与第i所述光线出射穿孔6之间构成Ni次反射光程，且M个光线入射穿孔5与M个光线出射穿孔6之间构成的M个光程的反射次数不同，即，NM>…N2>N1≥2。

M组光线发射器3和光电探测器4完全相同，即，均用于同种气体。

M是不小于2的自然数，i是不小于1且不大于M的自然数，Ni是不小于2且不大于N的自然数。

本实施例可在一个反射腔体上集成多个偶数倍光程，可进一步细化同种气体的检测量程；即，根据气体浓度，可采用不同倍数的多倍光程，这样，既保证了高灵敏度，也兼顾了气体检测量程。

 

实施例6

本实施例与实施例4的区别主要在于：M组光线发射器和光电探测器不完全相同，用于测量不同的气体。

第i所述光线入射穿孔与第i所述光线出射穿孔之间构成Ni次反射光程，M个光线入射穿孔与M个光线出射穿孔之间构成的M个光程的反射次数可根据实际需要确定。

本实施例可在该反射腔体上集成多个通道，用于测量多种不同的气体，即，每一个通道采用不同波长的光线发射器和相应的光电探测器，且每一个通道可采用不同的多倍光程，由此，实现多种不同气体的测量，并根据需要，可以兼顾每种气体的检测灵敏度和检测量程。

 

实施例7

本实施例与实施例1、实施例4的区别主要在于：如图7所示，它包括M组配套的光线发射器3和光电探测器4，其中，m1组光线发射器3和光电探测器4是一一对应设置的，m2组光线发射器3和光电探测器4是一一对应设置的，且M=m1+m2。

所述球面凹面反射镜1上分别开设有M个光线入射穿孔5，M组所述光线发射器3分别对应M个所述光线入射穿孔5设置。

所述球面凹面反射镜2上分别开设有m1个光线出射穿孔6，所述球面凹面反射镜1上分别开设有m2个光线出射穿孔6，M组所述光电探测器4分别对应M个所述光线出射穿孔6设置。

m1个光线入射穿孔5与m1个光线出射穿孔6呈一一对应关系，且第i所述光线出射穿孔6对应自第i所述光线入射穿孔5入射的光线经Ni次反射在所述球面凹面反射镜2的光线反射面形成的光斑设置。

m2个光线入射穿孔5与m2个光线出射穿孔6呈一一对应关系，且第j所述光线出射穿孔6对应自第j所述光线入射穿孔5入射的光线经Nj次反射在所述球面凹面反射镜1的光线反射面形成的光斑设置。

M是不小于2的自然数，m1是自然数，i是不小于1且不大于m1的自然数，Ni是不小于1且不大于N的自然数, m2是自然数，j是不小于1且不大于m2的自然数，Nj是不小于2且不大于N的自然数。

本实施例是实施例2或3与实施例5或6的结合；需要特别说明的是，本实施例的复合结构，也应属于本发明保护范畴。 

在本发明中，所述光线发射器是光纤准直器或激光器或红外光源，所述球面凹面反射镜的光线反射面是凹面。

需要特别说明的是，在实际应用中，要注意球面凹面反射镜上的各个光斑不相交叠，同时，要注意光线发射器与光电探测器在结构上不相互干涉。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种奇数倍光程反射腔体，其特征在于：它包括架体、安装在所述架体上的两个球面凹面反射镜、光线发射器和与所述光线发射器配套的光电探测器；其中，两个所述球面凹面反射镜的曲率半径相同且同轴平行设置，两个所述球面凹面反射镜的光线反射面相对设置；第一所述球面凹面反射镜上开设有光线入射穿孔，所述光线发射器对应所述光线入射穿孔设置并安装在第一所述球面凹面反射镜的背光面；第二所述球面凹面反射镜上开设有光线出射穿孔，所述光电探测器对应所述光线出射穿孔设置并安装在第二所述球面凹面反射镜的背光面；所述光线出射穿孔对应自所述光线入射穿孔入射的光线经N次反射在第二所述球面凹面反射镜的光线反射面形成的光斑设置；N是不小于1的自然数。

2.根据权利要求1所述的奇数倍光程反射腔体，其特征在于：它包括M组配套的光线发射器和光电探测器；第一所述球面凹面反射镜上分别开设有M个光线入射穿孔，M组所述光线发射器分别对应M个所述光线入射穿孔设置；第二所述球面凹面反射镜上分别开设有M个光线出射穿孔，M组所述光电探测器分别对应M个所述光线出射穿孔设置；M个光线入射穿孔与M个光线出射穿孔呈一一对应关系，且第i所述光线出射穿孔对应自第i所述光线入射穿孔入射的光线经Ni次反射在第二所述球面凹面反射镜的光线反射面形成的光斑设置；M是不小于2的自然数，i是不小于1且不大于M的自然数，Ni是不小于1且不大于N的自然数。

3.根据权利要求2所述的奇数倍光程反射腔体，其特征在于：M组光线发射器和光电探测器完全相同，第i所述光线入射穿孔与第i所述光线出射穿孔之间构成Ni次反射光程，且M个光线入射穿孔与M个光线出射穿孔之间构成的M个光程的反射次数不同。

4.根据权利要求2所述的奇数倍光程反射腔体，其特征在于：M组光线发射器和光电探测器不完全相同。

5.一种偶数倍光程反射腔体，其特征在于：它包括架体、安装在所述架体上的两个球面凹面反射镜、光线发射器和与所述光线发射器配套的光电探测器；其中，两个所述球面凹面反射镜的曲率半径相同且同轴平行设置，两个所述球面凹面反射镜的光线反射面相对设置；第一所述球面凹面反射镜上分别开设有光线入射穿孔和光线出射穿孔，所述光线发射器对应所述光线入射穿孔设置并安装在第一所述球面凹面反射镜的背光面，所述光电探测器对应所述光线出射穿孔设置并安装在第一所述球面凹面反射镜的背光面；所述光线出射穿孔对应自所述光线入射穿孔入射的光线经N次反射在第一所述球面凹面反射镜的光线反射面形成的光斑设置；N是不小于2的自然数。

6.根据权利要求5所述的偶数倍光程反射腔体，其特征在于：它包括M组配套的光线发射器和光电探测器；第一所述球面凹面反射镜上分别开设有M个光线入射穿孔和M个光线出射穿孔，M个所述光线发射器分别对应M个所述光线入射穿孔设置，M个所述光电探测器分别对应M个所述光线出射穿孔设置；M个光线入射穿孔与M个光线出射穿孔呈一一对应关系，且第i所述光线出射穿孔对应自第i所述光线入射穿孔入射的光线经Ni次反射在第一所述球面凹面反射镜的光线反射面形成的光斑设置；M是不小于2的自然数，i是不小于1且不大于M的自然数，Ni是不小于2且不大于N的自然数。

7.根据权利要求6所述的偶数倍光程反射腔体，其特征在于：M组光线发射器和光电探测器完全相同，第i所述光线入射穿孔与第i所述光线出射穿孔之间构成Ni次反射光程，且M个光线入射穿孔与M个光线出射穿孔之间构成的M个光程的反射次数不同。

8.根据权利要求6所述的偶数倍光程反射腔体，其特征在于：M组光线发射器和光电探测器不完全相同。

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