CN103411921A - 基于光学遥测镜头的手持式气体传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的基于光学遥测镜头的手持式气体传感系统，主要包括激光器、探测单元、数据处理单元、外壳、聚光单元和镜头保护壳。特别是聚光单元，包括抛物面主镜和双曲面副镜，其中抛物面主镜为凹面镜，双曲面副镜为凸面镜，二者反光面相对，所述抛物面主镜的几何中心包含通孔，入射至抛物面主镜的平行光经抛物面主镜和双曲面副镜反射后经过抛物面主镜的通孔汇聚到探测单元的感光面上。通过采用上述技术手段，本发明的遥测技术不仅能够无需气室，真正的做到时时在线检测，还能够在一个安全的操作环境中对远处的气体进行探测。与传统的封闭气室或开放气室方法比较，遥测技术使得可调谐二极管激光吸收光谱技术从实验室中走出来。
Description
技术领域
本发明属于气体浓度检测技术领域，涉及一种基于光学气体传感技术的气体浓度检测，具体涉及一种基于光学遥测镜头的手持式气体传感系统。
背景技术
利用光谱遥感技术探测大气成分及特性开始于1970年，其基础是电磁辐射与原子分子间的互相作用。关于浓度的探测其依据是大气中某种痕量气体成分在紫外、可见和红外光谱波段的吸收性质。
可调谐二极管激光吸收光谱技术是一种光学和光谱学测量技术，光学/光谱学测量技术可以实现远距离在线监测，具有受环境因素影响小、响应时间短、可以实现低浓度的气体测量、测量结果能够反映测量环境内的被测气体平均浓度水平以及非单点测量等优点，是一种理想的气体污染物检测方法。光学遥感则是利用几公里甚至更长的光程代替传统实验室的取样池或者开放的气室，即所谓的开路（open-path）结构，是一种基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的长光程吸收技术，目前多用于飞行器等专用于遥感测量的设备上，测量成本及设备结构均较复杂，进而导致使用场合非常有限。现有的可调谐二极管激光吸收光谱技术虽然能够快速高精度的检测到痕量气体的浓度，但是由于使用时所涉及的设备较多、需要专用气室、仪器昂贵、容易损坏且不便操作等缺点，使得现有的基于该技术的测量系统成本较高、系统复杂，测试时对技术人员的专业性要求较高，普及使用难度较大。
发明内容
本发明的目的在于为了克服现有的气体或者痕量气体浓度测量技术测量成本高、测量场合受技术限制并且测量专业性要求较高等缺陷，提出了一种基于光学遥测镜头的手持式气体传感系统。
本发明的技术方案是：基于光学遥测镜头的手持式气体传感系统，包括激光器和探测单元，所述探测单元具有感光面，用于实现光电信号转换，其特征在于，所述气体传感系统还包括数据处理单元、外壳、聚光单元和镜头保护壳，所述外壳为中空筒状结构，所述激光器固定于外壳的中轴线上，激光器发射的激光沿外壳中轴线方向射出，所述镜头保护壳安装于外壳上激光器激光出射的一端，探测单元安装于外壳内部的另一端，所述数据处理单元与探测单元相连接，用于处理探测单元探测的信号；所述聚光单元位于激光器和探测单元之间，并聚焦于探测单元的感光面上。
进一步的，所述聚光单元包括抛物面主镜和双曲面副镜，其中抛物面主镜为凹面镜， 双曲面副镜为凸面镜，二者反光面相对，所述抛物面主镜的几何中心包含通孔，入射至抛物面主镜的平行光经抛物面主镜和双曲面副镜反射后经过抛物面主镜的通孔汇聚到探测单元的感光面上。
进一步的，所述气体传感系统包括显示单元，所述显示单元设置于外壳上安装探测单元的一端端面上。
进一步的，所述镜头保护壳上覆盖有增透膜。
进一步的，所述气体传感系统包括准直单元，所述准直单元安装于激光器的激光出射端，用于激光准直。
进一步的，所述气体传感系统还包括手柄，所述手柄位于外壳上用于设备的手持使用。
进一步的，所述气体传感系统还包括控制单元，所述控制单元与激光器相连接，用于激光器调谐控制。
进一步的，所述控制单元安装于手柄内，并包括移动电源，所述移动电源用于为设备供电。
进一步的，所述气体传感系统还包括数据存储单元，所述数据存储单元与数据处理单元相连接，用于存储探测单元探测的数据信息。
进一步的，所述气体传感系统还包括无线通信单元，所述无线通信单元同时与存储单元和数据处理单元相连接，用于输出探测单元探测的数据信息。
进一步的，所述气体传感系统还包括反射单元，所述反射单元放置于激光器激光射出路径上，用于将激光器射出的激光反射回气体传感系统。
本发明的有益效果：本发明的基于光学遥测镜头的手持式气体传感系统通过将遥测式探测技术应用于手持式气体探测系统，具有以下优点：遥测技术不仅能够无需气室，真正的做到时时在线检测，还能够在一个安全的操作环境中对远处的气体进行探测。与传统的封闭气室或开放气室方法比较，遥测技术使得可调谐二极管激光吸收光谱技术从实验室中走出来，向现场测量迈了一大步。而调谐二极管激光吸收光谱技术作为光学和光谱学技术中的一种，与其它光学技术相比，设备简单成本低，具有高光谱分辨率和灵敏度，适合测量CO、NH3、NO、NO2、CH4、O2、H2O等气体。尤其是本发明的气体传感系统采用了包含抛物面主镜及双曲面副镜的双反射聚光单元，使得在保证光程的同时可以大大缩减系统的硬件设备体积，使之更具有便携、高效的特点，且不受应用环境的影响，具有较高的实用价值和推广前景。
附图说明
图1为本发明实施例的系统结构示意图；
图2为本发明实施例的聚光单元结构示意图；
图3为本发明实施例的外壳结构示意图。
附图标记说明：激光器1，探测单元2，数据处理单元3，外壳4，显示单元5，抛物面主镜61，双曲面副镜62，准直单元7，控制单元8，镜头保护壳9，手柄10，反射单元11，开放空间12，固定支架13。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例做进一步详述。
如图1所示，本实施例的一种基于光学遥测镜头的手持式气体传感系统包括激光器（优选波长范围为1527-1610nm）1和探测单元（响应范围优选为0.9-1.9um）2，其中激光器1用于生成探测所需的激光信号，该激光信号通过被探测的空间后被反射回来。反射回来的激光由于被测空间气体成分和/或含量的影响，其能量、相位等光谱信息会产生相应的变化，该变化后的激光信号照射到探测单元上。所述探测单元具有感光面，用于将入射的激光信号转换为相应的电信号。探测器接受信号后的时间延迟可以计算出反射位置与手持式气体传感系统之间的距离。本实施例的气体传感系统还包括数据处理单元3、外壳4、聚光单元和镜头保护壳9，所述外壳4为中空筒状结构，所述激光器1固定于外壳4的中轴线上，激光器1发射的激光沿外壳4中轴线方向射出，所述镜头保护壳9安装于外壳4上激光器1激光出射的一端，探测单元2安装于外壳4内部空间的另一端，所述数据处理单元3与探测单元2相连接，用于处理探测单元2探测到的信号。所述聚光单元位于激光器和探测单元之间，并聚焦于探测单元2的感光面上。由于探测单元通常为光电转换单元，其输出信号是与入射光信号相应的模拟信号，为了便于数据的运算处理，所述探测单元的输出端与一数据处理单元3相连接，数据处理单元3的主要作用在于将来自探测单元2的模拟信号放大（通常为锁相放大）并转换为数字信号，以便于计算机进行进一步分析处理。由于激光器1、探测单元2及数据处理单元3等模块需要避免外界干扰，并需要保持清洁，故设置了外壳4。在本实施例中，外壳4为防尘外壳，具有防尘作用，通过使用防尘外壳可以减缓长期使用导致的测试精度降低的问题，延长系统的使用寿命。为了保护激光器1，本实施例的外壳上设置了镜头保护壳，镜头保护盖与外壳一起组成了防尘腔体，同时具有透光作用，以保证激光的正常通过，为了进一步减小镜头保护壳对激光信号的影响，本实施例在其镜头保护壳上设置了增透膜。
在本实施例中，聚光单元包括抛物面主镜61和双曲面副镜62，其中抛物面主镜61为凹面镜，双曲面副镜62为凸面镜，二者反光面相对放置组合成聚光单元，其中二者的约束关系如下：抛物面主镜61的几何中心包含通孔，入射至抛物面主镜的平行光经抛物面主镜 61和双曲面副镜62反射后经过抛物面主镜的通孔汇聚到探测单元2的感光面上。通过采用这种包含抛物面主镜及双曲面副镜的双反射聚光单元，使得在保证光程的同时可以大大缩减系统的硬件设备体积，特别适用于手持便携设备的开发。
由于手持式气体传感系统的主要有点体现其手持的方便性，为了使测试的数据能够更及时的得到处理和显示，在本实施例中设置了显示单元5，所述显示单元5安装于外壳4上安装探测单元2的一端端面上，该显示单元5与数据处理单元3相连接，用于显示来自探测单元探测的信号，该信号包括光谱信号、强度信号以及经过数据处理单元加工处理后的信号。
出于对系统性能的优化考虑，本实施例进一步提出了以下方案：1、气体传感系统增设准直单元（优选渐变折射率的准直透镜）7，所述准直单元7安装于激光器的激光出射端，用于激光聚焦准直。2、气体传感系统增设控制单元8，所述控制单元8与激光器1相连接，用于激光器1调谐控制，使同一设备可以输出多种波长的激光信号，以适应对不同对象的探测，并控制将相关参数显示在显示单元上。3、所述气体传感系统还包括手柄10，所述手柄10位于外壳4上用于设备的手持使用，手柄设置的目的一是在于方便设备使用，用手持握，同时将手柄设置为中空结构，为设备的内部单元比如控制单元和电池单元等提供储放空间。4、将控制单元8安装于手柄10内，并包括移动电源，所述移动电源用于为设备供电，移动电源可以为蓄电池、锂电池或者干电池等各种移动电源。5、所述气体传感系统还包括数据存储单元，所述数据存储单元与数据处理单元3相连接，用于存储探测单元探测的数据信息，该数据信息可以通过数据接口导出并在其他任何计算设备比如电脑上进行深加工处理，以突破手持设备自带的数据处理单元计算能力的限制。6、在气体传感系统中增设无线通信单元，所述无线通信单元同时与存储单元和数据处理单元相连接，用于输出探测单元探测的数据信息。所述无线通信单元可以是3G模块、WIFI、蓝牙及其他各种无线通信单元。作为数据的接收端也可以是比如手机或电脑等终端，并可实现实时数据传输和监控。7、所述气体传感系统还包括反射单元，所述反射单元放置于激光器激光射出路径上，用于将激光器射出的激光反射回气体传感系统。所述反射单元对系统出射的激光反射明显，以克服直接面对的开放环境中前方障碍物如墙体等反光性能差，导致测试数据不可靠的缺陷。
下面结合系统的工作过程及原理对本实施例的气体传感系统做进一步描述：
如图1、图2及图3所示，打开激光器1的控制单元8使激光器1启动工作，激光发射之后经过准直单元7之后，发散角变小，方向性更好，从涂有增透膜的镜头保护壳9射出，穿越开放空间12，入射到墙体、建筑物或者系统的反射单元11上，部分光束被墙体、建筑 物或者系统的反射单元11反射之后穿过镜头保护壳9入聚光单元的抛物面主镜61上。经过抛物面主镜61及双曲面副镜62两次反射聚焦后，光束传播至其焦点位置处的探测单元（光电探测器）2的感光面上，光信号转为电信号，在数据处理单元3中，电信号采入锁相放大器，用锁相放大技术检测由气体浓度引起的二次谐波信号，从而达到检测气体浓度的目的，最后得到与气体浓度有关的信号并用软件编程处理并显示在显示单元（液晶屏）5上。通过调节激光器控制单元8的电流，激光器1可以输出连续的多个波长的激光，配合宽探测响应灵敏度的光电探测器2就可以实现对多种气体的探测和测量，因而可以最大限度的发挥整套系统的作用。
以下为气体探测系统的探测原理详解：
由于不同气体对红外光有着不同的吸收光谱,一些气体的特征光谱吸收强度和气体的浓度有关,利用这一原理可以测量特定气体浓度。利用气体在石英光纤透射窗口内的吸收峰,测量由于气体吸收产生的光强衰减,反演出气体的浓度。
光谱吸收法是通过检测气体透射光强或反射光强的变化来检测气体浓度的方法。每种气体分子都有自己的吸收(或辐射)谱特征，光源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的部分才产生吸收，吸收后的光强将发生变化。从谱范围上可划分为红外光谱吸收法和紫外光谱吸收法。
当一束光强为I0输入光的平行光通过充有气体的气室时，如果光源光谱覆盖一个或多个气体吸收线，光通过气体时发生衰减，根据Beer-Lambert定律，输出光强I(λ)与输入光强I0(λ)和气体浓度之间的关系为
I(λ)=I0(λ)exp(-αλLC)
αλ是一定波长下单位浓度，单位长度的介质吸收系数；L是吸收路径的长度；C是气体浓度。由上式可得
式子表明，如果L与αλ已知，通过检测I(λ)和I0(λ)就可以测得气体的浓度。这就是光谱吸收方法检测气体浓度的基本原理。
这种方法可以对大多数的气体浓度进行较高精度的测量，吸收型气体传感器的一大优点是具有简单可靠的气室结构，而且只要调换光源就可以用同样的系统来检测不同浓度的气体。基于光谱吸收检测气体技术，可以实现对气体的高选择性、高分辨、高灵敏、快速 响应、非接触在线监测，不存在中毒问题，使用安全，仪器维护量低。
由于光与待测气体的相互作用主要表现在气体样本对光波的红外吸收效应。很多气体在红外光谱范围内都存在较强的吸收谱线，其中有些谱线能较好的与现有光源及光纤的低损耗传输窗口相适应。通过检测气体对光能直接吸收的强弱可以得到气体的浓度参数，然而光路中有诸多的干扰因素，使得直接吸收检测的方法往往达不到应有的指标，于是人们设计许多旨在提高检测灵敏度的技术和方法。这些方法随着光源和相应光器件的发展而不断发展。
为了便于理解，以下提供一个气体成分与所吸收的波长的关系表格：
| 气体成分 | 吸收波长 |
| O2 | 761nm、764nm |
| HF | 1268.7nm、1305nm、1312.5nm |
| H2O | 1368.59nm、1383nm、1392nm |
| NH3 | 1512nm |
| C2H2 | 1532.68nm |
| CO | 1567nm |
| H2S | 1578nm |
| CO2 | 1580nm、2.0um |
| CH4 | 1650.9nm、1653.7nm、1660nm |
| HCl | 1745nm |
本实施例的基于光学遥测镜头的手持式气体传感系统适用于建筑，隧道，竖井，下水道及管道监测气体水平，检测天燃气管道的泄漏；煤矿-在煤矿检测甲烷，以防止煤矿的爆炸；环境和垃圾填埋场-通过检测垃圾填埋场内甲烷和二氧化碳的排放，从而提高效率，加强对污染的监控以及对碳排放税的征收；能源-煤气层，原位气化，石油和天然气领域的发展。在气体的监测过程中，都需要使用此装置。
所述手持式光学遥测镜头具有如下优点：（1）实地测量,气体信息不易失真。（2）仪器无运动器件，可靠性高,维护方便，运行费用接近于零(仅为电费)。（3）非接触测量，有非常强的高温、高粉尘和强腐蚀等恶劣工业环境的适应能力。（4）携带方便，测量更安全，灵敏度更高。
如图3所示，此图是外壳的内部固定支架示意图，由内部固定支架13，外壳4，激光器1，准直单元7组成。
特别的，以上所述的有抛物面主镜61和双曲面副镜62组成的感光单元仅为实现本发明方案中聚光的一种具体方式，本发明包含但不限于这种具体形式，比如主镜表面也可以为双曲面。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，本领域的技术人员将会理解，在本发明所揭露的技术范围内，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此本发明不应由上述事例来限定，而应以权利要求书的保护范围来限定。
Claims (10)
1.基于光学遥测镜头的手持式气体传感系统，包括激光器和探测单元，所述探测单元具有感光面，用于实现光电信号转换，其特征在于，所述气体传感系统还包括数据处理单元、外壳、聚光单元和镜头保护壳，所述外壳为中空筒状结构，所述激光器固定于外壳的中轴线上，激光器发射的激光沿外壳中轴线方向射出，所述镜头保护壳安装于外壳上激光器激光出射的一端，探测单元安装于外壳内部的另一端，所述数据处理单元与探测单元相连接，用于处理探测单元探测的信号；所述聚光单元位于激光器和探测单元之间，并聚焦于探测单元的感光面上。
2.根据权利要求1所述的基于光学遥测镜头的手持式气体传感系统，其特征在于，所述聚光单元包括抛物面主镜和双曲面副镜，其中抛物面主镜为凹面镜，双曲面副镜为凸面镜，二者反光面相对，所述抛物面主镜的几何中心包含通孔，入射至抛物面主镜的平行光经抛物面主镜和双曲面副镜反射后经过抛物面主镜的通孔汇聚到探测单元的感光面上。
3.根据权利要求2所述的基于光学遥测镜头的手持式气体传感系统，其特征在于，所述气体传感系统包括显示单元，所述显示单元设置于外壳上安装探测单元的一端端面上，所述镜头保护壳上覆盖有增透膜。
4.根据权利要求3所述的基于光学遥测镜头的手持式气体传感系统，其特征在于，所述气体传感系统包括准直单元，所述准直单元安装于激光器的激光出射端，用于激光准直。
5.根据权利要求4所述的基于光学遥测镜头的手持式气体传感系统，其特征在于，所述气体传感系统还包括手柄，所述手柄位于外壳上用于设备的手持使用。
6.根据权利要求4所述的基于光学遥测镜头的手持式气体传感系统，其特征在于，所述气体传感系统还包括控制单元，所述控制单元与激光器相连接，用于激光器调谐控制。
7.根据权利要求5所述的基于光学遥测镜头的手持式气体传感系统，其特征在于，所述控制单元安装于手柄内，并包括移动电源，所述移动电源用于为设备供电。
8.根据权利要求5、6或7所述的基于光学遥测镜头的手持式气体传感系统，其特征在于，所述气体传感系统还包括数据存储单元，所述数据存储单元与数据处理单元相连接，用于存储探测单元探测的数据信息。
9.根据权利要求8所述的基于光学遥测镜头的手持式气体传感系统，其特征在于，所述气体传感系统还包括无线通信单元，所述无线通信单元同时与存储单元和数据处理单元相连接，用于输出探测单元探测的数据信息。
10.根据权利要求9所述的基于光学遥测镜头的手持式气体传感系统，其特征在于，所述气体传感系统还包括反射单元，所述反射单元放置于激光器激光射出路径上，用于将激光器射出的激光反射回气体传感系统。
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