CN103196834B - 带有气压平衡装置的光干涉气体检测系统 - Google Patents

带有气压平衡装置的光干涉气体检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种新型光干涉气体检测光路系统及气压平衡装置。利用雅敏光干涉原理设计，通过光源，图像传感器及平面分光镜等若干光学元件将一束光经过平面分光镜的作用分成三束光线，形成两组光干涉条纹，对两组条纹进行处理获得测量结果。新的气压平衡装置为密闭式结构可以满足在使用环境中长时间工作的要求。本发明的目的在于提供一种精确度高、制造简单、压力均衡的光干涉气体检测光路系统及气压平衡装置。

Description

带有气压平衡装置的光干涉气体检测系统
技术领域
本发明涉及采用光学测量为其特征的仪器，具体是一种利用了光干涉原理的带有气压平衡装置的光干涉气体检测系统。
背景技术
20世纪50年代日本理研公司研制的光干涉甲烷测定器是目前市场应用最广泛的一种光干涉甲烷测定器，其光路和机械结构采用雅敏光干涉原理，通过负透镜以人眼直接观测光学系统光干涉条纹移动量的方式来测量甲烷浓度。这种光干涉甲烷测定器在使用过程中读数依靠机械刻度标尺人眼读数，误差大；其压力平衡用的是毛细管，压力平衡速度慢，且不能长时间在作业环境中使用。
公开号为CN2783317Y，公开日为2006-5-24的中国实用新型专利申请文件，公开了一种光干涉检测甲烷或二氧化碳装置，利用雅敏干涉原理，加入了图像处理采集和处理单元，但在使用过程中与机械式甲烷测定器存在相同的问题，不能长期在工作环境中使用。
公开号为CN101576489A，公开日为2009-11-11的中国发明专利申请文件，公开了一种光干涉检测甲烷或二氧化碳装置。该装置利用了迈克尔逊干涉原理，产生两组干涉光。该装置中，需要产生一束平行光、射入需精密加工的胶合棱镜。所述光线对平行程度的要求很高，否则难以产生符合要求的干涉条纹。所述胶合棱镜的加工精度的好坏直接会影响干涉条纹的出现，还会影响干涉条纹的根数。另外，使用过程中，光源的微量位移和/或胶合面的脱胶都会导致干涉条纹的巨大变化，进而影响测量结果的准确度，因此存在制造成本较高、稳定性差的不足。
与本发明为同一申请人的申请号为2011204170.0的实用新型专利公开了一种智能光干涉气体测定装置，该装置采用光缝将光源射出的光分成两束光a和b，然后又通过气室隔板将光束a分成a1和a2，然后a1、a2分别经过折射直角三棱镜的反射作用回到平面分光镜上，与光束b发生干涉，虽然该装置对温度、压力和机械机构引起的误差得到了有效地抑制，但是由于采用气室隔板将窄光束a分成两束光，加工难度大，对仪器设备精度要求高，难于实现；且当温度差变大时，所测量到的干涉条纹阴影变粗，影响测量结果和准确度；且干涉条纹变形也会导致测量结果与真实值相差变大；该设备不能长时间在测量环境中使用。
发明内容
针对以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种精确度高、制造简单、压力均衡的光干涉气体检测光路系统及气压平衡装置，为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种带有气压平衡装置的光干涉气体检测系统，包括光源、平面分光镜、气室、折光直角三棱镜、反射直角三棱镜、图像传感器及其他若干光学元件，其还包括闭合的压力平衡装置，其中压力平衡装置与所述气室相连通；
在所述光源的光路上、呈45°安装的平面分光镜将光源发射且穿过光缝的光束分成相互平行的光束a、光束b和光束c；
所述气室与折光直角三棱镜之间还设置有可调挡板Ⅰ及可调挡板Ⅱ，所述光束a穿过参考气室Ⅰ，所述光束a穿出参考气室Ⅰ后通过可调挡板Ⅰ的遮挡得到光束aˊ，所述光束b和光束aˊ发生干涉；所述光束c穿过采样气室后通过可调挡板Ⅱ的遮挡得到光束cˊ，然后光束cˊ和光束b发生干涉。
进一步的，所述闭合的压力平衡装置为可膨胀和收缩的气囊或可调节气压的电动装置。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明对温度、压力和机械机构引起的误差起到了有效地抑制；并且通过设置一可收缩和膨胀的气囊或一个可以调节气压的电动装置，使设备可在更恶劣的工作环境下持续工作，零点更稳定，提高了设备的耐用等级；通过平面镜将光束分成三束光a、b、c，光束b与光束a和c发生干涉，干涉条纹之间无阴影，测量准确度更高；降低了对工艺的高精度要求，使生产更加简单方便。
附图说明
图1是本发明一优选实施例的一种带有气压平衡装置的光干涉气体检测系统结构示意图；
图2A为温度变化前采用两束光进行干涉采样的干涉条纹图形；图2B为温度变化前采用三束光进行干涉采样的干涉条纹图形；
图3A为温度变化后采用两束光进行干涉采样的干涉条纹图形；图3B为温度变化后采用三束光进行干涉采样的干涉条纹图形。
具体实施方式
下面结合附图给出一个非限定性的实施例对本发明作进一步的阐述。
参照图1所示，一种带有气压平衡装置的光干涉气体检测系统，包括光源4、平面分光镜6、气室8、折光直角三棱镜11、反射直角三棱镜5、图像传感器1和若干光学元件组成的光干涉光路系统，其特征在于：还包括闭合的压力平衡装置7，其中压力平衡装置7与所述气室8相连通；
在所述光源4的光路上、呈45°安装的平面分光镜6将光源4发射且穿过光缝3的光束分成相互平行的光束a、光束b和光束c；
所述气室8的入射端对应平面分光镜6的45°面，其出射端对应折光直角三棱镜11的侧面；气室8由气室隔板Ⅰ12和气室隔板Ⅱ13分隔成为参考气室Ⅰ、参考气室Ⅱ以及连通采样装置的采样气室；
所述光束a穿过参考气室Ⅰ，所述光束a穿出参考气室Ⅰ后通过可调挡板Ⅰ9的遮挡得到光束a',光束a'经过折光直角三棱镜11被反射回参考气室Ⅱ，再到达平面分光镜6上的O点；所述光束b穿过参考气室Ⅰ或采样气室，经过折光直角三棱镜11被反射回参考气室Ⅱ或采样气室，再到达平面分光镜6，最后被反射到O点，所述光束b和光束a'发生干涉；
所述光束c穿出采样气室后通过挡板Ⅱ10的遮挡得到光束c'，再由折光直角三棱镜11反射进采样气室，到达平面分光镜6，最后被反射到O点，然后光束c'和光束b发生干涉；
所述光束b与光束a'和光束c'分别发生干涉后所形成的光束，经过反射直角三棱镜5和焦距为正的透镜2到达图像传感器1；当然本发明中不限于图中所示光路，根据光学中光路可逆的原理，入射光源可以设置于反射直角三棱镜5处，相应的反射直角三棱镜5可以设于入射光源的位置，同样可以达到检测干涉条纹的目的。
本发明实施例中，所述压力平衡装置包括可膨胀和收缩的气囊或者采用小电机带动活塞来实现气压平衡的装置，非密闭结构连续使用时间长了后会造成零点漂移，测量结果偏差很大，不准确，得到的数据不具备参考价值。
工作原理：
本发明的实施例由于具有上述结构对温度、压力和机械机构引起的误差起到了有效地抑制；并且通过设置一可收缩和膨胀的气囊，使设备可在更恶劣的工作环境下持续工作，提高了设备的耐用等级。本发明的实施例由于具有上述结构，在进行测量时，光源4发出一束稳定的白光光源，通过光缝3到达平面分光镜分成3束光，一束为反射光c，一束为背面反射膜反射后投射出来的投射光b，另一束为背面反射膜反射后投射出来的投射光a，投射光a和反射光c通过参考气室I后穿出气室，投射光a经过隔板I9的遮挡作用取得其中一部分光变成光束a'，然后经过折光直角三棱镜11的360度反射回参考气室II；反射光c穿出参考气室I后经过折光直角三棱镜11的360度反射回参考气室II；光束c穿出采样气室后通过挡板Ⅱ10的遮挡作用得到光束c'，再由折光直角三棱镜11反射进采样气室，再通过平面分光镜的折射和反射后汇合于O点发生干涉；所述光束b与光束a'和光束c'分别发生干涉后所形成的光束，经过焦距为正的透镜2到达图像传感器1。在上述过程中，可以微调折光直角三棱镜以获得满足测量要求根数的干涉条纹，由于采样气室中气体折射率改变就会引起光程差的改变从而引起条纹的移动变化，气体浓度越大，干涉条纹移动量就越大，图像传感器可以把图像信号转化成可处理的电信号输出。
图2A为温度变化前采用两束光进行干涉采样的干涉条纹图形；图2B为温度变化前采用三束光进行干涉采样的干涉条纹图形；图3A为温度变化后采用两束光进行干涉采样的干涉条纹图形；图3B为温度变化后采用三束光进行干涉采样的干涉条纹图形。可以明显地看出，采用两束光干涉条纹会形成阴影，而采用本装置不会形成阴影，且当温度变化后，采用两束光干涉条纹后阴影会变宽，测量误差加大，而温度变化对本装置的干涉条纹没有影响，测量精度大增加。三束光解决了机械结构的热变形影响造成图形的畸变问题，使得后续处理更方便准确。因为在使用过程中，机械结构会随着温度的变化，和使用时间的推移逐渐发生变化，这样会造成图像的畸变，严重时会导致图形无法识别和处理，仪器无法使用。
这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种带有气压平衡装置的光干涉气体检测系统，包括光源(4)、平面分光镜(6)、气室(8)、折光直角三棱镜(11)、反射直角三棱镜(5)、图像传感器(1)及若干其他光学元件，其特征在于：还包括闭合的压力平衡装置(7)，其中压力平衡装置(7)与所述气室(8)相连通；
在所述光源(4)的光路上、呈45°安装的平面分光镜(6)将光源(4)发射且穿过光缝(3)的光束分成相互平行的光束a、光束b和光束c；
所述气室(9)与折光直角三棱镜(11)之间还设置有可调挡板Ⅰ(9)及可调挡板Ⅱ(10)，所述光束a穿过参考气室Ⅰ，所述光束a穿出参考气室Ⅰ后通过可调挡板Ⅰ(9)的遮挡得到光束aˊ，所述光束b和光束aˊ发生干涉；所述光束c穿过采样气室后通过可调挡板Ⅱ(10)的遮挡得到光束cˊ，然后光束cˊ和光束b发生干涉。
2.根据权利要求1所述的带有气压平衡装置的光干涉气体检测系统，其特征在于：所述闭合的压力平衡装置(7)为可膨胀和收缩的气囊或可调节气压的电动装置。
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