CN102680419B - 气体传感器的光学气体多程腔 - Google Patents

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Abstract

一种气体传感器的光学气体多程腔，特点在于该多程腔由外腔镜、内腔镜、前腔板和后腔板构成，在所述的外腔镜上设有光束入射孔或设有光束入射孔和光束出射孔。本发明具有结构简单、体积小、便于携带、抗干扰性能强、光程长度和光斑位置的稳定的特点，能够在环境复杂的工业现场较好地使用。

Description

气体传感器的光学气体多程腔
技术领域
本发明涉及一种多程腔，具体地说是一种气体传感器的光学气体多程腔。
技术背景
红外气体传感技术作为一种快速、可靠、可重复性的气体检测方案在国民生活的各个领域得以大量应用和快速发展。在带有多程腔的红外气体传感器中，多程腔是影响仪器工作性能的重要组件，它直接影响仪器的测量精度，它的模式稳定性决定了仪器的使用场合。
气体的红外吸收可以用beer定律来描述：
I(λ)=I0(λ)exp(-kCL)
式中：
I——红外光被气体吸收后的光强；
I0——红外光的初始光强；
k——与气体相关的常数；
C——被检测气体的浓度；
L——穿过气体的总光程长度；
由上式可以看出，要增加检测信号的强度最有效的办法就是增长光程长度，这也正是多程腔的作用。
目前，红外气体传感器中主要使用的有两种类型的多程腔，Herriott腔和White腔。典型的Herriott腔由两块球面反射镜组成，当镜面距离适当，在一定的入射角度下，镜面上形成具有周期性的环状光斑图样，称之为re-entrant条件。可以看到，re-entrant条件的实现和周期性光斑图样中光斑数（不同的re-entrant模式）依赖于镜面距离和入射角度的稳定性，而且相同腔体空间内，周期越长，反射次数越多，所能容许的角度抖动越小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体传感器的光学气体多程腔。该多程腔具有结构简单、体积小、便于携带、抗干扰性能强、光程长度和光斑位置稳定的特点，能够在环境复杂的工业现场较好地使用。
本发明的技术解决方案：
一种气体传感器的光学气体多程腔，特点在于该多程腔由外腔镜、内腔镜、前腔板和后腔板构成；
所述的外腔镜是一个球壳由两个与该球壳的球心等距的平行平面切割的圆环形壳体，该圆环形壳体的内表面为高反射的镜面，该外腔镜的中心为所述的球壳的球心；
所述的内腔镜是由四个曲率半径全同的外表面为凹面的第一柱面镜、第二柱面镜、第三柱面镜和第四柱面镜依次边边相连接构成的正四凹面柱体；
所述的前腔板和后腔板设有多个对应的通气孔；
所述的内腔镜置于所述的外腔镜中并固定在所述的前腔板和后腔板之间，所述的外腔镜和内腔镜的中轴线重合并垂直于所述的前腔板、后腔板，所述的内腔镜的正四凹面柱体的中心与所述的该外腔镜的中心重合；
所述的外腔镜上设有光束入射孔，该光束入射孔与所述的外腔镜的球心的连线与所述的第一柱面镜和第三柱面镜顶点（顶点位于与系统中心轴垂直且过所述外腔镜的球心的面内）连线之间的夹角为42°-48°之间，所述的内腔镜的柱面镜的曲率半径比所述的外腔镜的球面镜的曲率半径大。
所述的通气孔的气孔大小和数量由通气需求确定，所述的通气孔上加装过滤网，以过滤恶劣环境中的干扰物质。
所述的外腔镜上还设有光束出射孔。
本发明的技术效果：
本发明气体传感器的光学气体多程腔具有结构对称性高、结构简单、体积小、便于携带、抗干扰性能强的特点，实验表明本发明的腔具有很强的抗干扰能力，光程长度和光斑位置的稳定性得到很好保障，可以应用在复杂的工作环境中。
附图说明
图1是本发明气体传感器的光学气体多程腔的分解结构图；
图2是本发明气体传感器的光学气体多程腔过所述的外腔镜和内腔镜的中心且垂直于所述的外腔镜和内腔镜的中轴线的剖面示意图；
图3是本发明光学气体多程腔前腔板、后腔板的结构示意图；
图4是本发明光学气体多程腔内光线反射的示意图；
图5是本发明光学气体多程腔的一个实施例；
图6是本发明光学气体多程腔的另一个实施例。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是本发明气体传感器的光学气体多程腔的分解结构图，图2是本发明光学气体多程腔过所述的外腔镜和内腔镜的中心且垂直于所述的外腔镜和内腔镜的中轴线的剖面示意图，由图可见，本发明气体传感器的光学气体多程腔，该多程腔由外腔镜1、内腔镜2、前腔板4和后腔板3构成；
所述的外腔镜1是一个球壳由两个与该球壳的球心等距的平行平面切割的圆环形壳体，该圆环形壳体的内表面为高反射的镜面6，该外腔镜1的中心为所述的球壳的球心；
所述的内腔镜2是由四块曲率半径全同的外表面为凹面的第一柱面镜7、第二柱面镜8、第三柱面镜9和第四柱面镜10依次边边相连接构成的正四凹面柱体；
所述的前腔板4和后腔板3设有多个对应的通气孔；
所述的内腔镜2置于所述的外腔镜1中并固定在所述的前腔板4和后腔板3之间，所述的外腔镜1和内腔镜2的中轴线重合并垂直于所述的前腔板4、后腔板3，所述的内腔镜2的正四凹面柱体的中心与所述的该外腔镜1的中心重合；
所述的外腔镜1上设有光束入射孔12，该光束入射孔12与所述的外腔镜1的球心的连线与所述的第一柱面镜7和第三柱面镜9中点连线之间的夹角为42°-48°之间，所述的内腔镜2的柱面镜的曲率半径比所述的外腔镜1的球面镜6的曲率半径大。
所述的通气孔16、17的气孔大小和数量由通气需求确定，所述的通气孔上加装过滤网，以过滤恶劣环境中的干扰物质。
所述的外腔镜1上还设有光束出射孔13。
外腔镜1与内腔镜组2相对的镜面6，内腔镜组2与外腔镜1相对的第一柱面镜7、第二柱面镜8、第三柱面镜9和第四柱面镜10；内外腔镜包围的气室11，外腔镜上有光束入口12和出口13。在图1中建立坐标系，坐标原点位于外腔镜的球心，x-y平面位于剖视平面上，第一柱面镜7、第三柱面镜9的剖视顶点在x轴上，第二柱面镜8和第四柱面镜10的剖视顶点在y轴上，本发明中所有坐标描述都采用此坐标系。
如图3所示：后腔板3，腔板与外腔镜1的密封槽口凸齿14，前腔板与内腔镜的固定螺孔15，进（出）气孔16，进（出）气孔上有过滤网17，前腔板与此同。
如图4所示是光学气体多程腔腔内光线反射的示意图，镜面6与第一柱面镜7、第二柱面镜8、第三柱面镜9和第四柱面镜10之间光束的反射顺序是6-7-6-8-6-9-6-10，符合这样反射次序的反射图样我们称之为“光在腔内有规律地反射”。
图5所示是本发明的一个实施例，镜面6的曲率半径为58mm，第一柱面镜7、第二柱面镜8、第三柱面镜9和第四柱面镜10的曲率半径为90mm，第一柱面镜7、第二柱面镜8、第三柱面镜9和第四柱面镜10的顶点之间的距离为18mm。内腔镜、外腔镜对称轴重合。光束入射孔中心在x-y平面内，和坐标原点的连线与x轴成45度夹角，图中光束18用两条边缘光线来代替，入射起点处光束半径为30μm，发散角1度，中心光线入射方向在x-y平面内，光束首先入射到第一柱面镜7上，光斑中心在第一柱面镜7的顶点上，在内腔镜和外腔镜之间依次形成8条光学反射路径，然后再从入射孔12射出(这种情况下出射孔就是入射孔)。
图6所示是本发明另一个实施例。镜面6的曲率半径为64mm，第一柱面镜7、第二柱面镜8、第三柱面镜9和第四柱面镜10的曲率半径为98mm，第一柱面镜7、第二柱面镜8、第三柱面镜9和第四柱面镜10的顶点之间距离为16mm。内腔镜、外腔镜对称轴重合。光束入射孔中心在x-y平面内，和坐标原点的连线与x轴成46.3度夹角，光纤头固定于入射孔内，中心光线入射方向在x-y平面内，方向为(-1，-1.09)，光束半径为30μm，发散角1度。光束首先入射到内腔镜第一柱面镜7上，反射的顺序为6-7-6-8-6-9-6-10，然后再回到6，这样循环反射下去，最后在第45次反射的时候从出射孔13射出。光斑在外腔镜上是分离的，光斑的彼此距离的远近会影响光束出射孔的选择，我们希望其它光斑离光束出射孔尽量远一些。101是入射光束，106是第5次反射的光束路径，107是第6次反射的光束路径，146是第45次反射的光束路径。第5次反射在外腔镜上的光斑是离出射光斑（第45次反射）最近的光斑，两者间距为1.35mm，在这个距离下，光束出射孔开在第45次反射在外腔镜上的光斑处，临近的第5次反射光束不会从出口出射，避免了干扰，保证了模式的稳定性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实验表明，本发明具有结构简单、体积小、便于携带、抗干扰性能强、光程长度和光斑位置的稳定的特点，能够在环境复杂的工业现场较好地使用。

Claims (3)

1.一种气体传感器的光学气体多程腔，特征在于该多程腔由外腔镜（1）、内腔镜（2）、前腔板（4）和后腔板（3）构成；
所述的外腔镜（1）是一个球壳由两个与该球壳的球心共线等距的平行平面切割的圆环形壳体，该圆环形壳体的内表面为高反射的镜面（6），该外腔镜（1）的中心为所述的球壳的球心；
所述的内腔镜（2）是由四个曲率半径全同的外表面为凹面的第一柱面镜（7）、第二柱面镜（8）、第三柱面镜（9）和第四柱面镜（10）依次边边相连接构成的正四凹面柱体；
所述的前腔板（4）和后腔板（3）设有多个对应的通气孔；
所述的内腔镜（2）置于所述的外腔镜（1）中并固定在所述的前腔板（4）和后腔板（3）之间，所述的外腔镜（1）和内腔镜（2）的中轴线重合并垂直于所述的前腔板（4）、后腔板（3），所述的内腔镜（2）的正四凹面柱体的中心与所述的该外腔镜（1）的中心重合；
所述的外腔镜（1）上设有光束入射孔（12），该光束入射孔（12）的中心与所述的外腔镜（1）的球心的连线与所述的第一柱面镜（7）和第三柱面镜（9）顶点连线之间的夹角为42°-48°之间，该顶点位于与系统中心轴垂直且过所述外腔镜（1）的球心的面内，所述的内腔镜（2）的柱面镜的曲率半径比所述的外腔镜（1）的球面镜的曲率半径大。
2.根据权利要求1所述的光学气体多程腔，其特征在于所述的通气孔的气孔大小和数量由通气需求确定，所述的通气孔上加装过滤网，以过滤恶劣环境中的干扰物质。
3.根据权利要求1或2所述的光学气体多程腔，其特征在于所述的外腔镜（1）上还设有光束出射孔（13）。
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