CN103063591A - 一种激光分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光分析仪，可以包括：激光发射器、激光接收器和激光控制器，激光控制器与激光发射器、激光接收器连接，在激光发射器的发射筒内安装一个滤光片，在激光接收器的接收筒内也安装一个滤光片，两个滤光片相同，且仅能通过可以被待测气体吸收波长的光。因此，在通过待测环境前，激光经发射筒内的滤光片过滤后仅含有可以被待测气体吸收波长的光，在通过待测环境后，穿过待测环境的光再次被接收筒内的滤光片过滤，且该滤光片同时滤掉可见光中对测量结果造成影响的光。因为两次滤光使得发射光和接收光均只能被待测气体吸收，增加了检测浓度的准确性，降低了对生产安全和环境污染造成的影响。

Description

一种激光分析仪

技术领域

本发明涉及激光技术领域，更具体地说，涉及一种激光分析仪。

背景技术

随着人类生存环境的恶化，环境污染对人类的健康和安全的影响日益成为人们密切关注的问题，工业生产过程中的环境检测成为当今技术研究的重点，尤其是对环境气体的检测更成为重中之重。环境气体的检测需要检测装置对目标气体具有高识别率、响应时间快、灵敏度高及非侵入气体检测等特点。激光气体传感技术在灵敏度、选择性、动态范围、信噪比和响应时间等方面比传统方法具有诸多优点，因而人们对激光半导体气体传感器具有极大的兴趣，特别是在对生产过程当中的气体检测，长管线有毒气体检测和污染控制等方面投入了大量的研究。

激光有很多特性，首先，激光是单色的或者说是单频的；其次，激光是相干光的特征，其所有的激光都是同步的，整束光就好像一个“波列”；再次，激光是高度集中的，也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或是收敛的现象。气体分子的光吸收谱就像人类的指纹，通过气体分子的光吸收谱可以对气体的种类进行识别和对气体浓度进行测定。针对激光和气体分子的这些特性，现有技术中，主要应用激光气体分析仪来对气体浓度进行检测。激光气体分析仪是基于半导体激光吸收光谱气体分析测量技术的革新，能有效解决传统的气体分析技术中存在的诸多问题。半导体激光吸收技术利用激光能量被气体分子“选频”吸收形成吸收光谱的原理来测量气体的浓度。由于半导体激光器发出特定波长的激光束(仅能被待测气体吸收)，穿过待测气体时，激光强度的衰减与待测气体的浓度成一定的函数关系，因此通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得待测气体的浓度。

但是，现有的激光分析仪发射出的激光包含有多个波长的光，当激光通过含待测气体的待测环境时，激光中的激光除可以被待测气体吸收外，还有可能被非待测气体吸收，而且，空气中的可见光也可能会进入激光分析仪，使得检测到的待测气体的浓度存在偏差。当待测气体为易燃易爆或是对环境污染严重的气体时，检测浓度存在的偏差就可能会影响生产安全和对环境造成污染。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种激光分析仪，以降低因待测气体检测的偏差对生产安全和环境污染造成的影响。

一种激光分析仪，包括：激光控制器，还包括：激光发射器和激光接收器，所述激光控制器与所述激光发射器、所述激光接收器连接，所述激光发射器和所述激光接收器分别设置在待测环境的两侧，

所述激光发射器具有发射筒，在所述发射筒内安装有第一滤光片，所述激光接收器具有接收筒，在所述接收筒内安装有第二滤光片，

其中，所述第一滤光片和所述第二滤光片相同，且只能通过第一波长的激光，其中，所述第一波长的激光能够被所述待测环境中的待测气体吸收。

优选的，所述激光发射器包括：用来发射激光的半导体激光器。

优选的，所述激光发射器还包括：能够为所述半导体激光器提供稳定电流的驱动电源。

优选的，所述激光接收器包括：能够将所述第二激光转化为电信号的光电传感器。

优选的，所述激光接收器还包括：用于对所述激光分析仪进行供电的电源模块。

优选的，还包括：

第一锁箍器、第一连接筒、第二锁箍器和第二连接筒，

所述发射筒通过所述第一锁箍器与所述第一连接筒连接，

所述接收筒通过所述第二锁箍器与所述第二连接筒连接，

所述第一连接筒和所述第二连接筒分别连接在待测环境的两侧，且所述第一连接筒和所述第二连接筒在同一个中心轴线上。

优选的，还包括：

安装在所述第一连接筒中用于将所述第一滤光片和所述待测环境隔离的第一保护镜片，

和安装在所述第二连接筒中用于将所述第二滤光片和所述待测环境隔离的第二保护镜片。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的一种激光分析仪，可以包括：激光发射器、激光接收器和激光控制器，激光控制器与激光发射器、激光接收器连接，在激光发射器的发射筒内安装一个滤光片，在激光接收器的接收筒内也安装一个滤光片，两个滤光片可以相同，且仅能通过可以被待测气体吸收波长的光。因此，在通过待测环境前，激光经发射筒内的滤光片过滤后仅含有可以被待测气体吸收波长的光，在通过待测环境后，穿过待测环境的光再次被接收筒内的滤光片过滤，且该滤光片同时滤掉可见光中对测量结果造成影响的光。因为两次滤光使得发射光和接收光均只能被待测气体吸收，增加了检测浓度的准确性，降低了对生产安全和环境污染造成的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种激光分析仪；

图2为本发明实施例公开的一种薄膜吸收滤光片的功能原理示意图；

图3为本发明实施例公开的另一种激光分析仪；

图4为本发明实施例公开的另一种激光分析仪。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例公开了一种激光分析仪，可以包括：激光控制器300，还可以包括：激光发射器100和激光接收器200，所述激光控制器300与所述激光发射器100、所述激光接收器200连接，所述激光发射器100和所述激光接收器200分别设置在待测环境的两侧，

所述激光发射器100具有发射筒110，在所述发射筒110内可以安装有第一滤光片120，所述激光接收器200具有接收筒210，所述接收筒210内安装有第二滤光片220，

其中，所述第一滤光片120和所述第二滤光片220相同，且只能通过第一波长的激光，其中，所述第一波长的激光能够被所述待测环境中的待测气体吸收。

优选的，所述激光发射器100可以包括：用来发射激光的半导体激光器，半导体激光器中可以安装有用来发射激光的激光二极管。

其中，半导体激光器是一种以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带(导带与价带)之间，或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间，实现非平衡载流子的粒子数发转，当处于粒子数发转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要由三种，即电注入式、光泵式和高能电子束激励式。而且，半导体激光器具有体积小、重量轻、运转可靠、耗电少和效率高等优点。

优选的，所述激光发射器100还可以包括：能够为所述半导体激光器提供稳定电流的驱动电源。

本领域技术人员可以理解的是，一般情况下，半导体激光器的发激光长随温度变化为0.2nm/℃-0.3nm/℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。另外，当正向电流流经PN结，发热性损耗使结区产生升温，在室温附近，温度每升高1℃，半导体激光器的发光强度会相应的减少1%。因此，为使半导体激光器发出的激光强度维持在稳定的范围内，所以需要驱动电源为其提供稳定电流。

其中，所述激光发射器100还可以包括：人机界面、激光器驱动模块、中央处理模块和精密光学元件等，用于实现半导体激光器激光发射，光谱数据处理和人机交互等功能。

优选的，所述激光接收器200可以包括：能够将所述第二激光转化为电信号的光电传感器。

其中，光电传感器是采用光电学元件作为检测元件的传感器，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。由于光电检测方法具有精度高、反应快、非接触式等优点，并且可测量参数多，形式灵活多样，因此，光电传感器在检测和控制中广泛应用。

优选的，所述激光接收器200还可以包括：用于对所述激光分析仪进行供电的电源模块。

其中，所述电源模块可以外接电压为24V的电源，以对激光分析仪进行供电。

本领域技术人员可以理解的是，所述激光接收器200还可以包括：信号处理模块和精密光学元件等。

优选的，所述激光控制器300可以带薄膜开关和液晶显示器。

具体的，所述激光控制器300可以控制所述激光发射器100发射激光，所述激光被所述第一滤光片120过滤后，可以获得仅含有能够被待测气体吸收波长段的激光。该激光穿过待测环境，被待测环境中的待测气体吸收部分激光。穿过待测环境后剩余的激光再通过所述第二滤光片220进行过滤，其中，所述第二滤光片220可以将可见光中对检测结果造成影响的光过滤掉，从而获得穿过待测环境最终剩余的激光。所述激光接收器200接收该剩余激光并将其转化为电信号，所述激光接收器200将所述电信号传送给所述激光控制器300，所述激光控制器300就可以通过对所述电信号的分析获得待测气体的浓度。

激光分析仪在实际应用时，所述激光发射器100和所述激光接收器200直接安装在测量现场中，所述激光控制器300可以安装在现场附近的分析小屋内，还可以安装在远离测量现场、环境相对较好的仪表控制室。所述激光控制器300可以通过缆线与安装在测量现场的所述激光发射器100、所述激光接收器200连接，从而实现信号传输。

优选的，滤光片是一种可以衰减光强度，改变光谱成分或限定振动面的光学零件。滤光片可以分为颜色滤光片和薄膜滤光片，颜色滤光片可以是各种颜色的平板玻璃或是明胶片，其透射带宽数百埃，多用在宽带测光或装在恒星摄谱仪中，以隔离重叠光谱级次。薄膜滤光片又分为薄膜吸收滤光片和薄膜干涉滤光片两种。薄膜吸收滤光片是在特定材料片基上，用化学侵蚀使吸收线正好位于需要的波长处，一般透过的波长较长，多用在红外滤光片中。薄膜干涉滤光片是在一定片基上，用真空镀膜法交替形成具有一定厚度的高折射率或第折射率的金属-介质-金属膜，或全介质膜，构成一种低级次的、多级串联实心法布里-珀罗干涉仪。

其中，本发明中所述第一滤光片120和所述第二滤光片220均可以为薄膜吸收滤光片。薄膜吸收滤光片会因选取的薄膜材质的不同，滤光片厚度的不同，通过其激光的波长段也不同，因此我们可以通过改变薄膜材料、滤光片厚度来对激光过滤。获得我们需要波长段的激光。例如，氧气检测，氧气的吸收波长在761nm附近，则选取的薄膜材料应该使波长在750nm-780nm范围内的激光通过，并对其它波长段激光进行反射和吸收，其中，薄膜的厚度为吸收波长的1/4。一氧化碳检测，一氧化碳的吸收波长在2330nm附近，则选取的薄膜材料应该是波长在2300nm-2400nm范围内的激光通过，并对其它波长段的激光进行反射和吸收，其中，薄膜的厚度为吸收波长的1/4。

如图2所示薄膜吸收滤光片的功能原理示意图，激光二极管发射出的激光通过薄膜吸收滤光片001后，得到可以通过该薄膜吸收滤光片波长段的激光，发射和吸收其它波长段的激光。

可以理解的是，本发明中所述第一滤光片120和所述第二滤光片220均只能通过可以被待测气体吸收的波长段，所述激光发射器100发射出的激光被所述第一滤光片120过滤后，不能被待测气体吸收的波长段的激光均被所述第一滤光片120反射或是吸收，从而获得能够被待测气体吸收的波长段的激光，从有效降低了因非待测气体吸收部分波长段激光，为测量结果带来偏差。在所述激光接收器200的接收筒内安装的所述第二滤光片220，可以将可见光中不能被待测气体吸收的波长段的光过滤掉。虽然可见光中能够被待测气体吸收的波长段的光可以进入到所述激光接收器200，但是，因为可见光中含有的能够被待测气体吸收的波长段的光的强度，相对于所述激光接收器200接收到的穿过待测气体后的波长段的激光强度而言，相差很多，对最终的测量结果造成的影响很小，基本上可以忽略。因此，本发明增加了对待测气体检测浓度的准确性，降低了对生产安全和环境污染造成的影响。

在图1所示的一种激光分析仪的基础上，如图3所示本发明公开的另一种激光分析仪，还可以包括：

第一锁箍器130、第一连接筒140、第二锁箍器230和第二连接筒240，

所述发射筒110通过所述第一锁箍器130与所述第一连接筒140连接，

所述接收筒210通过所述第二锁箍器230与所述第二连接筒240连接，

所述第一连接筒140和所述第二连接筒240分别连接在待测环境的两侧，且所述第一连接筒140和所述第二连接筒240在同一个中心轴线上。

其中，所述第一连接筒140和所述第二连接筒240中均设置有吹扫接口、光路调整机构、维护切断阀门和法兰等。锁箍器是一种连接器件，可以把所有的零散器件连接在一起。因此，所述发射筒110和所述第一连接筒140可以通过所述第一锁箍器130连接，所述接收筒210和所述第二连接筒240可以通过所述第二锁箍器230连接。

具体的，法兰又叫法兰盘或是凸缘盘，是一种可以使管子与管子即阀门相互连接的零件，且连接于管端。法兰上有孔眼，螺栓使两法兰紧连，法兰间用衬垫密封。一般情况下测量环境为含有待测气体的气体测量管道，本发明中，与所述激光发射器100连接的所述第一连接筒140，可以通过仪器法兰安装在焊接在气体测量管道上的焊接法兰上，与所述激光接收器200连接的所述第二连接筒240，也可以通过仪器法兰安装在焊接在气体测量管道上的焊接法兰上。

其中，维护切断阀门用于控制气体测量管道与连接筒的通断，在激光分析仪与气体测量管道连接时，维护切断阀门关闭，以防止气体测量管道中的气体跑到空气中，造成环境污染或是对生产安全造成影响。对气体测量管道中的待测气体进行测量时，打开维护切断阀门，以使激光通过气体测量管道。

优选的，如图4所述，本发明公开的另一种激光分析仪，还可以包括：

安装在所述第一连接筒140中用于将所述第一滤光片120和所述待测环境隔离的第一保护镜片150，

和安装在所述第二连接筒240中用于将所述第二滤光片220和所述待测环境隔离的第二保护镜片250。

其中，吹扫接口用来为吹扫气体提供进口。在较为恶劣的现场测量场合里，为使激光测量仪能够长期运行，激光气体分析仪需要用吹扫气体对保护镜片进行吹扫，避免测量环境中粉尘或其它污染物对保护镜片造成严重污染，从而对激光透过率造成影响，进而影响测量结果。一般使用的吹扫气体为干燥压缩空气、氮气或是水蒸气。

优选的，我们还可以将外部的4mA-20mA温度/压力传感器连接在所述激光发射器100上，以使所述激光发射器100实现互联网功能。

综上可以看出，本发明提供的一种激光分析仪，可以包括：激光发射器、激光接收器和激光控制器，激光控制器与激光发射器、激光接收器连接，在激光发射器的发射筒内安装一个滤光片，在激光接收器的接收筒内也安装一个滤光片，两个滤光片相同，且仅能通过可以被待测气体吸收波长的光。因此，在通过待测环境前，激光经发射筒内的滤光片过滤后仅含有可以被待测气体吸收波长的光，在通过待测环境后，穿过待测环境的光再次被接收筒内的滤光片过滤，且该滤光片同时滤掉可见光中对测量结果造成影响的光。因为两次滤光使得发射光和接收光均只能被待测气体吸收，增加了检测浓度的准确性，降低了对生产安全和环境污染造成的影响。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种激光分析仪，包括：激光控制器，其特征在于，还包括：激光发射器和激光接收器，所述激光控制器与所述激光发射器、所述激光接收器连接，所述激光发射器和所述激光接收器分别设置在待测环境的两侧，

所述激光发射器具有发射筒，在所述发射筒内安装有第一滤光片，所述激光接收器具有接收筒，在所述接收筒内安装有第二滤光片，

其中，所述第一滤光片和所述第二滤光片相同，且只能通过第一波长的激光，其中，所述第一波长的激光能够被所述待测环境中的待测气体吸收。

2.根据权利要求1所述的激光分析仪，其特征在于，所述激光发射器包括：用来发射激光的半导体激光器。

3.根据权利要求2所述的激光分析仪，其特征在于，所述激光发射器还包括：能够为所述半导体激光器提供稳定电流的驱动电源。

4.根据权利要求1所述的激光分析仪，其特征在于，所述激光接收器包括：能够将所述第二激光转化为电信号的光电传感器。

5.根据权利要求4所述的激光分析仪，其特征在于，所述激光接收器还包括：用于对所述激光分析仪进行供电的电源模块。

6.根据权利要求1所述的激光分析仪，其特征在于，还包括：

第一锁箍器、第一连接筒、第二锁箍器和第二连接筒，

所述发射筒通过所述第一锁箍器与所述第一连接筒连接，

所述接收筒通过所述第二锁箍器与所述第二连接筒连接，

所述第一连接筒和所述第二连接筒分别连接在待测环境的两侧，且所述第一连接筒和所述第二连接筒在同一个中心轴线上。

7.根据权利要求6所述的激光分析仪，其特征在于，还包括：

安装在所述第一连接筒中用于将所述第一滤光片和所述待测环境隔离的第一保护镜片，

和安装在所述第二连接筒中用于将所述第二滤光片和所述待测环境隔离的第二保护镜片。

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