CN103398950A

CN103398950A - 一种用于气相监测的阵列式多光程系统

Info

Publication number: CN103398950A
Application number: CN2013103650473A
Authority: CN
Inventors: 杨牧; 李再春; 刘伟; 向安
Original assignee: Tianjin E Tech Energy Technology Development Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Leiying Photoelectric Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-08-20
Also published as: CN103398950B

Abstract

本发明涉及一种用于气相监测的阵列式多光程系统。本发明属于气相监测技术领域。一种用于气相监测的阵列式多光程系统，包括阵列式多光程吸收池和四相分光仪，阵列式多光程吸收池由光纤连接四相分光仪；阵列式多光程吸收池由多块微型平面反射镜、开放式气室、光纤耦合器和入射孔构成，平面反射镜呈阵列式排列并且与上表面或下表面夹角为π/4放置，最后一块平面反射镜水平放置；四相分光仪包括一个入射光孔、一个出射光孔、两个光电探测接收孔和分光镜，入射光孔和出射光孔相对设置，两个光电探测接收孔相对设置，分光镜对角放置在分光仪中间。本发明具有结构简单，性能稳定，监测方便，有效光程自设，适用于生产现场气相组分与浓度监测等优点。

Description

一种用于气相监测的阵列式多光程系统

技术领域

本发明属于气相监测技术领域，特别是涉及一种用于气相监测的阵列式多光程系统。

背景技术

目前，随着石油、煤矿、化学、冶金等工业快速发展，人民生活水平逐渐提高。伴随着工业生产而产生的各种各样的可燃性气体与有毒气体迅速增加，生产现场的爆炸事故和大气污染等相继发生，给人类生存环境、财产安全带来了极大威胁。因此，对可燃性气体与有毒有害气体的检测显得尤为重要。

气体检测方法多种多样，利用光谱吸收的检测方法具有大范围、多组分、连续实时监测的特点，是气相组分与浓度监测理想的方法。采用波长调制和多次反射长光程技术相结合的TDLAS技术可实现对气体浓度的高灵敏度检测，其检测极限可达6×10^-8mv。多次反射长光程技术利用光束在反射组镜中多次反射后，可实现较长的有效光程。

现有常见的气体吸收池有White型和Herriott型以及基于“White型”和“Herriott型”的改进型。比如，美国专利US3524066中，在圆柱腔体两端安装两块平面反射镜以增加有效光程，实现折叠光束的气体检测。在专利CN1283789中，由多个反射镜项链组成多边形的平面多路径气体吸收池。在专利：CN102297839中，通过两块平面镜增加吸收光程，提高了光谱测试的灵敏度。在专利CN102879898中，可调谐多次反射光学吸收池对传统的Herriott型做了改进，将其中一块凹面腔镜用平面镜替代，实现了超长距离的有效光程的可调谐，提高了调节精度。然而，在现有的吸收池中，制作工艺简单且系统稳定的吸收池可实现的有效光程较小；光程较大的吸收池，存在制作工艺比较复杂，系统的稳定性较差，不利于现场测试等技术问题。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种用于气相监测的阵列式多光程系统。

本发明的目的是提供一种具有结构简单，易于实现，性能稳定，监测方便，有效光程自设，适用于生产现场气相组分与浓度监测等特点的用于气相监测的阵列式多光程系统。

本发明的一种阵列式多光程系统，包括多个微型平面反射镜、开放式气室、隔离器、光纤、四相分光仪等器件组成。微型平面反射镜分布在开放气室的上下两个表面，呈阵列式（m×n）排列并且与上下表面以夹角为π/4放置，最后一块平面反射镜水平紧贴在上（下）表面（具体由不同阵列组合决定）。每个镜片都有固定暗槽，分别有上下地面呈一定夹角。

开放气室上表面开设入射光束的入射孔，同时该入射孔也是出射光束的出射孔。该入射孔有连接光纤接头，一般选择FC或者PC型。接口内部有聚焦透镜，使光束从光纤出射聚焦后入射到反射镜面。

气室侧面采用的可拆卸的密封面板。每个侧面都有密封槽。将侧面的密封面板拆下，就是一个开放的气室。可放置监测现场，在线检测现场气相组分与浓度。将密封板顺着密封槽安上，此时气室可实现密封气室。四块密封面板中有一块密封板安装四个进/出气口。根据检测特定气体密度不同，进气口的位置也不同。

四相分光仪包括一个光束入口和三个出口。上下两个出口分别安装光纤接口。另外两个出射口处放置光电探测器以探测出口光束特性，如光强、光谱等。分光镜可选用不同投射比例，对角放置在分光仪中间。分光镜两侧有暗槽，可以更换不同透射比例的分光镜。骨架用刚性材料制成，以防止震动引起分光镜的放置角度。

开放式气室的四根支架处安装升降杆，可根据需要调节单光程长度。

开放气室上表面的光纤接口连接光纤，光纤的另一端连接四相分光仪的光纤接口。

本发明阵列式（m×n）表示横向m行，纵向n列（m、n分别为整数且大于1）。因此上下表面的每一块平面反射镜都可以用（m，n）来表示确切的位置。阵列式吸收池的组合有三种，分别是偶×偶、偶×奇、奇×奇。本系统除了主体之外，还包括坐式固定架，将主体平稳的固定放置监测现场。

本发明用于气相监测的阵列式多光程系统所采取的技术方案是：

一种用于气相监测的阵列式多光程系统，其特点是：阵列式多光程系统包括阵列式多光程吸收池和四相分光仪，阵列式多光程吸收池由光纤连接四相分光仪；阵列式多光程吸收池由平面反射镜、开放式气室和入射孔构成，开放式气室上表面和下表面布置平面反射镜，平面反射镜呈阵列式排列并且与上表面或下表面夹角为π/4放置，最后一块平面反射镜水平放置；四相分光仪包括一个入射光孔、一个出射光孔、两个光电探测接收孔和分光镜，入射光孔和出射光孔相对设置，两个光电探测接收孔相对设置，分光镜对角放置在分光仪中间。

本发明用于气相监测的阵列式多光程系统还可以采用如下技术方案：

所述的用于气相监测的阵列式多光程系统，其特点是：开放式气室上表面开设入射光束的入射孔，同时入射孔也是出射光束的出射孔。

所述的用于气相监测的阵列式多光程系统，其特点是：入射孔有连接光纤接头，光纤接头为FC或PC型，接口内部有聚焦透镜，使光束从光纤出射聚焦后入射到反射镜面。

所述的用于气相监测的阵列式多光程系统，其特点是：开放式气室侧面采用可拆卸的密封面板，每个侧面都有密封槽。

所述的用于气相监测的阵列式多光程系统，其特点是：密封面板中有一块或2块设有2至6个进气口和出气口。

所述的用于气相监测的阵列式多光程系统，其特点是：开放式气室角部的四根支架处安装升降杆，可根据需要调节单光程长度。

所述的用于气相监测的阵列式多光程系统，其特点是：四相分光仪入射光孔和出射光孔分别安装光纤接口，两个光电探测接收孔放置光电探测器以探测出口光束特性。

所述的用于气相监测的阵列式多光程系统，其特点是：入射光孔处设有光隔离器。

所述的用于气相监测的阵列式多光程系统，其特点是：光电探测接收孔处设有聚焦组镜。

所述的用于气相监测的阵列式多光程系统，其特点是：分光镜两侧有暗槽，用于更换不同透射比例的分光镜。

本发明具有的优点和积极效果是：

用于气相监测的阵列式多光程系统由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)阵列式多光程系统，采用多块平面反射镜组成，每块平面镜只要按照设计的角度安装就可以，结构简单，易于实现，避免共轴调节的麻烦。

2)自行设置有效光程长度：与其他长程池相比，此装置可以预先设定需要的有效光程，可根据需要自行安装镜片位置就可以实现，避免了有效光程的计算。

3)单光程可调谐：气室支架可调谐，根据需要，单次光程长度可根据需要自行调节，从而实现增大有效光程。

附图说明

图1是用于气相监测的阵列式多光程系统结构示意图；

图2是图1中的阵列式气体吸收池结构示意图；

图3是7*7阵列式吸收池上表面光路结构示意图；

图4a、图4b、图4c、图4d是7*7阵列式光程池侧面光路结构示意图；

图5是开放气室的侧面结构示意图；

图6是四相分光仪结构示意图；

图7是7*6阵列式吸收池上表面光路示意图；

图8a、图8b、图8c、图8d是7*6阵列式光程池侧面光路示意图；

图9是6*6阵列式光程池上表面光路示意图；

图10a、图10b、图10c、图10d是6*6阵列式光程池侧面光路示意图。

图中，1、入射光孔，2、出射光孔，3、光电探测接收孔，4、光电探测接收孔，5、分光镜，6、四相分光仪，7、光纤，8、光纤接头，9、吸收池，10、平面反射镜，11、支架，12、反射镜，13、入射口，14、平面反射镜，15、上表面，16、螺旋扣，17、表面反射镜，18、底座，19、镜片安装方向，20、表面反射镜，21、入射/出射光路口，22、入射光方向，23、反射光方向，24、反射光斑与入射光斑重合点，25、反射镜片，26、入射光传输方向，27、反射光传输方向，28、出气口，29、密封槽，30、进气口，31、隔离器，32、聚焦透镜，33、扩束镜，34、聚焦透镜，35、聚焦透镜，36、，37、聚焦透镜，38、，39、扩束镜，40、支架，41、光纤接口，42、聚焦透镜，43、聚焦组镜，44、分光镜。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

参阅附图1至图10。

实施例1

一种用于气相监测的阵列式多光程系统，包括阵列式多光程吸收池和四相分光仪，阵列式多光程吸收池由光纤连接四相分光仪。阵列式多光程吸收池由多个微型平面反射镜、开放式气室和入射孔构成。开放式气室上表面和下表面布置多个微型平面反射镜，平面反射镜呈阵列式排列并且与上表面或下表面夹角为π/4放置，最后一块平面反射镜水平放置在上表面或下表面；开放式气室上表面开设入射光束的入射孔，同时入射孔也是出射光束的出射孔。开放式气室侧面采用可拆卸的密封面板，每个侧面都有密封槽。密封面板中有一块设有4个进气口和出气口。入射孔有连接光纤接头，光纤接头为FC或PC型，接口内部有聚焦透镜，使光束从光纤出射聚焦后入射到反射镜面。开放式气室角部的四根支架处安装升降杆，可根据需要调节单光程长度。

四相分光仪包括一个入射光孔、出射光孔、两个光电探测接收孔和分光镜，入射光孔和出射光孔相对设置，两个光电探测接收孔相对设置，分光镜对角放置在分光仪中间。四相分光仪入射光孔和出射光孔分别安装光纤接口，入射光孔处设有光隔离器；两个光电探测接收孔处设有聚焦组镜，光电探测接收孔放置光电探测器以探测出口光束特性。分光镜两侧有暗槽，用于更换不同透射比例的分光镜。骨架用刚性材料制成，以防止震动引起分光镜的放置角度变动。

实施例2

一种用于气相监测的阵列式多光程系统包括四相分光仪与光学长程吸收池。四相分光仪包括入射光孔1，出射光孔2，光电探测接收孔3，光电探测接收孔4和光纤接头8。入射激光经入射光孔1进入，经过分光镜5反射投射光进入出射光孔2，反射光进入光电探测接收孔3，被安装在光电探测接收孔3的探测器接收器光信号。光信号从出射光孔2进入光纤7，经过一段距离的传输后，经过光纤接头8进入多光程吸收池9。在吸收池9中反射后经过光纤接头8，光信号重新进入光纤7，从光纤接头8进入四相分光仪6，经分光镜5反射透射光从入射光孔1出，反射光从光电探测接收孔4出，光电探测接收孔4出口安装高灵敏度光纤探测器，接收反射的光信号。

如图2所示具体的实施例7×7阵列式光学长程吸收池的立体结构图。阵列式光学长程吸收池设有入射口13，内部安装聚焦透镜与扩束镜；设有平面反射镜，与平面以π/4夹角放置。表面反射镜12、表面反射镜17和表面反射镜20，改变光纤传输方向。下表面镜片安装方向19。最后一块平面反射镜14紧贴在上表面，使得最后一次反射光束经平面反射镜14后按原路返回，最后重新从入射口13进入光纤。螺旋扣16安装在支架11上，可通过旋转增大支架长度，有效地增大单次光程长度。阵列式光学长程吸收池设有长程吸收池底座18。

如图3为实施例7×7阵列式光学长程吸收池的上表面光路图。入射/出射光路口21，自上而下的入射光方向22；自下而上的反射光方向23。反射光斑与入射光斑重合点24，入射最后一次反射镜片25，此镜片紧贴上表面，见图2中平面反射镜14。入射光传输方向26和反射光传输方向27。

如图4为实施例7×7阵列式光学长程吸收池的侧面光路图。侧面图有主视图、右视图、后视图以及左视图，分别从前、后、左、右四个方向对光线传输方向演示。

如图5为光学长程池侧壁结构示意图。将密封槽29顺着吸收池壁槽池安装，并加以锁定，可使得开放气室转变成密封气室。此时可由进气口30和出气口28充入不同的待测气体。

如图6为四相分光仪结构示意图。光隔离器31隔离入射光束以防止反射光束损坏。设有聚焦透镜32、34、35、37、42，扩束镜33、39，入射光以平行光入射。聚焦组镜34、35、42、43；光电探测器光纤接口36、41；刚性支架40，保持镜片的稳定性。入射光从光入射光孔31进入，经聚焦透镜32、扩束镜33入射到分光镜44，反射光经过聚焦组镜43、聚焦组镜42、光纤接口41被光探测器接收，透射光经扩束镜39、聚焦透镜37、光纤接头38入射光纤7、吸收池9经过回路反射后经光纤接头38、聚焦透镜37、扩束镜39入射到分光镜44，透射光经扩束镜33进入聚焦透镜32，被聚焦透镜32隔离器遮挡，发射光经聚焦组镜34、聚焦组镜35、光纤接口36被探测器接收。

本发明的具体实例如图3、图4、图7-图10所示，分别以阵列奇数×奇数、奇数×偶数、偶数×偶数三中具体实例。在阵列的多光程系统中，最后一次平面反射镜的位置用（m，n）来表示。

（1）若m、n分别为奇。此时，平面反射镜的安装位置为：下表面

（2）若m为奇，n为偶。此时，平面反射镜的安装位置为：上表面

（3）若m为偶，n为奇。此时，平面反射镜的安装位置为：上表面

（4）若m、n分别为偶。此时，平面反射镜的安装位置为：上表面

本发明的有效光程计算如下：

设定阵列式多光程系统由m×n个平面反射镜组成，则此时反射次数N为

N＝2×m×n （1）

其中m≥2、n≥2，且m、n取正整数，N为总反射次数。

设定单次光程长度为l₀，则总光程L有

L＝2×m×n×l₀ （2）

从（2）可知，本系统的光程调节可以通过两种方式。

①通过阵列的不同组合方式。

如若N=256，则m、n的可取的不同组合有：

m₁=4,n₁=32;或者m₂=8,n₂=16;或者m₃=16,n₃=8;

②通过对单词光程长度l₀的调节。通过图2中16可伸缩支杆可对单次光程进行调节。

本实施例，一是可以通过改变阵列组合来增大反射次数或者增大单次反射光程两种方式有效的增大有效光程长度；二是增加光程的同时，简化光程池的结构，使得结构安装变得简单可行。具有所述的结构简单，易于实现，性能稳定，监测方便，有效光程自设等特点，特别适用于生产现场气相组分与浓度监测。

Claims

1.一种用于气相监测的阵列式多光程系统，其特征是：阵列式多光程系统包括阵列式多光程吸收池和四相分光仪，阵列式多光程吸收池由光纤连接四相分光仪；阵列式多光程吸收池由平面反射镜、开放式气室和入射孔构成，开放式气室上表面和下表面布置平面反射镜，平面反射镜呈阵列式排列并且与上表面或下表面夹角为π/4放置，最后一块平面反射镜水平放置；四相分光仪包括一个入射光孔、一个出射光孔、两个光电探测接收孔和分光镜，入射光孔和出射光孔相对设置，两个光电探测接收孔相对设置，分光镜对角放置在分光仪中间。

2.根据权利要求1所述的用于气相监测的阵列式多光程系统，其特征是：开放式气室上表面开设入射光束的入射孔，同时入射孔也是出射光束的出射孔。

3.根据权利要求2所述的用于气相监测的阵列式多光程系统，其特征是：入射孔有连接光纤接头，光纤接头为FC或PC型，接口内部有聚焦透镜，使光束从光纤出射聚焦后入射到反射镜面。

4.根据权利要求1、2或3所述的用于气相监测的阵列式多光程系统，其特征是：开放式气室侧面采用可拆卸的密封面板，每个侧面都有密封槽。

5.根据权利要求4所述的用于气相监测的阵列式多光程系统，其特征是：密封面板有一块或2块设有2至6个进气口和出气口。

6.根据权利要求1、2或3所述的用于气相监测的阵列式多光程系统，其特征是：开放式气室角部的四根支架处安装升降杆，可根据需要调节单光程长度。

7.根据权利要求1所述的用于气相监测的阵列式多光程系统，其特征是：四相分光仪入射光孔和出射光孔分别安装光纤接口，两个光电探测接收孔放置光电探测器以探测出口光束特性。

8.根据权利要求7所述的用于气相监测的阵列式多光程系统，其特征是：入射光孔处设有光隔离器。

9.根据权利要求7所述的用于气相监测的阵列式多光程系统，其特征是：光电探测接收孔处设有聚焦组镜。

10.根据权利要求1或7所述的用于气相监测的阵列式多光程系统，其特征是：分光镜两侧有暗槽，用于更换不同透射比例的分光镜。