CN103439261B - 一种基于抛物镜的开放式光学长程池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于抛物镜的开放式光学长程池。本发明属于气相监测技术领域。一种基于抛物镜的开放式光学长程池，其特点是：开放式光学长程池包括四块面状抛物镜、开放气室、光纤耦合器、水平导轨和螺旋推进器；四块面状抛物镜对角分布在开放气室之中，并且垂直于开放气室的上盘和底盘；开放气室上盘对角安装四条水平导轨，底盘对应安装四条水平导轨，抛物镜安装在水平导轨上；面状抛物镜上设有入射孔与出射孔，入射孔与出射孔设有光纤耦合器；螺旋推进器连接推动面状抛物镜直线运动本发明具有结构简单，调节容易，易于实现，有效光程自行设定，适用于生产现场低浓度气体区域自动化在线监测等优点，保障了生产现场的环境安全。

Description

一种基于抛物镜的开放式光学长程池

技术领域

本发明属于气相监测技术领域，特别是涉及一种基于抛物镜的开放式光学长程池。

背景技术

目前，随着石油工业快速发展，伴随着气体泄漏事件越来越多，爆炸事故和大气污染等频频发生，极大威胁了生存环境与财产安全。因此，对可燃性气体与有毒有害气体的在线监测显得尤为重要。一些密闭的空间，如反应罐、油罐、缺乏良好通风车间、地下管道、地下排水沟、船舱等。都是需要进行有害气体检测的重要场所。石油化工企业是危险气体存在较为普遍的场所，从原材料采集，生产过程到产品储运等环节都可能发生易燃易爆和有毒有害的气体泄漏，因此对于低浓度气体泄漏在线监测已经迫在眉睫，及时的预警有力保障了现场环境安全。

随着信号处理技术的快速发展，对低浓度气体的检测精度提出更高的要求。为了实现低浓度气体的检测灵敏度，增大激光束在气体样品的有效光程是提高检测灵敏度的有效手段。因此，光学长程技术的发展决定了气体浓度的检测水平。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CN 1283789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：CN 102297839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CN 102879898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，不利于现场的低浓度测量等技术问题。

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基于抛物镜的开放式光学长程池。

本发明的目的是提供一种具有结构简单，调节容易，易于实现，有效光程自行设定，适用于生产现场低浓度气体区域监测等特点的开放式光学长程池，对存在可燃或者气体空间可实现自动化在线监测，大大的提高生产现场的环境安全。

一种基于抛物镜的开放式多光程装置，包括四块面状抛物镜、开放气室、光纤耦合器、水平导轨、刚性支架、螺旋推进器、入射孔与出射孔等部件构成。四块面状抛物镜对角分布在开放气室之中，并且垂直于开放气室的上盘和底盘。气室上盘对角安装四条水平导轨，底盘对应安装四条水平导轨。上盘导轨与下盘导轨分别有抛物镜槽孔。抛物镜安装在上下导轨上，呈对角分布。抛物面镜顺着上盘槽孔缓慢插入底盘暗槽处，以实现抛物镜的固定。

其中一块面状抛物镜上同时开设入射光束的入射孔与出射孔。入射孔安装在抛物面镜的下表面，并设有角度控制器，使得入射光束可以从一定角度范围入射。出射孔和入射孔都安装自聚焦透镜与光纤耦合器，使得光束经过耦合进入光纤。

开放气室上下底板分别对应安装直线推进导轨，四条导轨呈对角放置在同一平面，使得抛物面镜按各自方向可以直线推进，可以实现共轴对焦调节与增大或者减小单次光程的目的。每条导轨安装刚性夹具，刚性夹具可以固定抛物面镜。使得抛物面镜共轴移动。

开放气室的上下表面为刚性底板，并有一定的厚度。刚性底板分布在导轨周围，可以固定直线导轨。上下底板分别有刚性支架连接，四根刚性支架固定上下刚性底板，可以固定上下底板的相对运动，起到防震的目的。

在刚性夹具上分别安装螺旋推进器，螺旋推进器可以推动刚性夹具在直线导轨上按着导轨的方向上直线运动。螺旋推进器上有粗调和微调两种调节模式。可以精确的推动抛物面镜在导轨方向上直线运动，微调旋钮可以起到精确对焦的作用。

本发明所提到的开放式表明本装置不是一个密闭的空间，外界气体可以自由穿梭在装置内部，省略了吸气装置，非常适用于局部空间危险气体的在线监测。

本发明基于抛物镜的开放式光学长程池所采取的技术方案是：

一种基于抛物镜的开放式光学长程池，其特点是：开放式光学长程池包括四块面状抛物镜、开放气室、光纤耦合器、水平导轨和螺旋推进器；四块面状抛物镜对角分布在开放气室之中，并且垂直于开放气室的上盘和底盘；开放气室上盘对角安装四条水平导轨，底盘对应安装四条水平导轨，抛物镜安装在水平导轨上；面状抛物镜上设有入射孔与出射孔，入射孔与出射孔设有光纤耦合器；螺旋推进器连接推动面状抛物镜直线运动。

本发明基于抛物镜的开放式光学长程池还可以采用如下技术方案：

所述的基于抛物镜的开放式光学长程池，其特点是：上盘和底盘有刚性支架连连，四根刚性支架固定上下刚性底盘，可以固定上盘和底盘的相对运动。

所述的基于抛物镜的开放式光学长程池，其特点是：水平导轨安装有刚性夹具，刚性夹具固定抛物面镜，使得抛物面镜共轴移动。

所述的基于抛物镜的开放式光学长程池，其特点是：刚性夹具上安装螺旋推进器，螺旋推进器推动刚性夹具在导轨上运动；螺旋推进器上有粗调和微调两种调节模式，推动抛物面镜在导轨方向上直线运动，微调旋钮精确对焦。

所述的基于抛物镜的开放式光学长程池，其特点是：上盘水平导轨与底盘水平导轨分别有抛物镜暗槽孔，面状抛物镜插在暗槽孔处，实现抛物镜的固定并呈对角分布状态。

所述的基于抛物镜的开放式光学长程池，其特点是：一块面状抛物镜上同时开设入射光束的入射孔与多个出射孔；入射孔安装在抛物面镜的下表面，并设有角度控制器，使得入射光束可以从一定角度范围入射；出射孔和入射孔都安装自聚焦透镜与光纤耦合器，使得光束经过耦合进入光纤。

本发明具有的优点和积极效果是：

基于抛物镜的开放式光学长程池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)基于抛物面镜的多光程吸收池，采用四块抛物面镜组成，四块抛物面镜对角安装在水平导轨上，结构简单，调节容易，易于实现，避免共轴调节的麻烦。

2)可实现的较大的有效光程：本装置采用抛物面镜作为反射镜，抛物面镜具有汇聚的作用，因此可以实现较大的有效光程。

3)有效光程可以自行设定。本装置可以根据入射角度可以计算确切的光程长度，有效光程呈现周期性变化。因此可根据需要，预先设定需要的有效光程。

4)长程池采用开放式。省略了吸收池的复杂结构的同时，对存在可燃或者气体空间可实现自动化在线监测。大大的提高生产现场的环境安全。

附图说明

图1是本发明基于抛物镜的开放式光学长程池立体结构示意图；

图2是基于抛物镜的开放式光学长程吸收池传输光路示意图；

图3是基于抛物镜的开放式光学长程池俯视结构示意图；

图4是基于抛物镜的开放式光学长程池右视结构示意图；

图5是基于抛物镜的开放式光学长程池后视结构示意图；

图6是基于抛物镜的开放式光学长程池的计算模型示意图。

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6。

实施例1

一种基于抛物镜的开放式光学长程池，包括四块面状抛物镜、开放气室、光纤耦合器、水平导轨和螺旋推进器；四块面状抛物镜对角分布在开放气室之中，并且垂直于开放气室的上盘和底盘；开放气室上盘对角安装四条水平导轨，底盘对应安装四条水平导轨，抛物镜安装在水平导轨上；面状抛物镜上设有入射孔与出射孔，入射孔与出射孔设有光纤耦合器；螺旋推进器连接推动面状抛物镜直线运动。

上盘和底盘有刚性支架连连，四根刚性支架固定上下刚性底盘，可以固定上盘和底盘的相对运动。水平导轨安装有刚性夹具，刚性夹具固定抛物面镜，使得抛物面镜共轴移动。刚性夹具上安装螺旋推进器，螺旋推进器推动刚性夹具在导轨上运动；螺旋推进器上有粗调和微调两种调节模式，推动抛物面镜在导轨方向上直线运动，微调旋钮精确对焦。

上盘水平导轨与底盘水平导轨分别有抛物镜暗槽孔，面状抛物镜插在暗槽孔处，实现抛物镜的固定并呈对角分布状态。一块面状抛物镜上同时开设入射光束的入射孔与出射孔；入射孔安装在抛物面镜的下表面，并设有角度控制器，使得入射光束可以从一定角度范围入射；出射孔和入射孔都安装自聚焦透镜与光纤耦合器，使得光束经过耦合进入光纤。

本实施例的具体结构及其工作过程：

如图1所示，基于抛物面镜长程吸收池包括四块面状抛物镜、开放气室、光纤耦合器、水平导轨、刚性支架、螺旋推进器、入射孔与出射孔等部件。如图2、图3、图4、图5所示。抛物镜1为入射镜，抛物镜2、抛物镜3、抛物镜4为抛物反射镜。入射孔5和出射孔11在抛物镜1上，四块抛物面镜安装在刚性夹具8上，刚性夹具8安装在直线导轨6上，直线导轨6嵌在刚性底盘7上，刚性底盘7由四根刚性支架9固定。螺旋推进器10调节直线导轨的缩进量，以实现抛物面镜的共轴对焦。

如图2所示具体的实施例光学长程池光路示意图。入射孔5内部安装聚焦透镜与光纤耦合器。抛物镜1、抛物镜2、抛物镜3、抛物镜4为抛物反射镜，与上下底盘垂直放置。抛物镜1、抛物镜3水平共轴放置；抛物镜2、抛物镜4水平共轴放置。抛物镜1、抛物镜3与抛物镜2、抛物镜4轴垂直放置。光线从抛物镜1入口入射水平入射，经过抛物镜3反射后经过抛物镜3焦点，接着经过抛物镜2焦点后镜跑景抛物镜2反射面水平入射抛物镜4反射面，经过抛物镜4焦点、抛物镜3焦点后在抛物镜3、抛物镜1反射面，同理所示，最后光线经过抛物镜2、抛物镜1经过孔径出射，经过聚焦透镜与光纤耦合器，光束耦合进入光纤。

如图3-5所示具体的实施例光学长程池示意图。6为水平导轨，7为刚性底盘，8为刚性夹具，9为刚性支架，10为螺旋推进器。水平导轨呈对角分布，导轨之间采用互锁结构，使得导轨之间形成一个刚性整体。上下底盘压住水平导轨，使得直线导轨只能安直线运动。四根刚性支架连接上下底盘，保持开放长程池稳定性。螺旋推进器10安装在下底盘刚性夹具8上，通过调节旋钮可以调节刚性夹具的缩进量。

如图6所示具体的实施例光学长程池计算模型示意图。

如图6所示，C、D、E、F分别为抛物镜1、抛物镜2、抛物镜3、抛物镜4的焦点。抛物镜1和抛物镜3的焦距相等，即：p₁＝p₃；抛物镜2和抛物镜4的焦距相等，即：p₂＝p₄。抛物镜1、抛物镜3与抛物镜2、抛物镜4的焦点对称放置。

以抛物镜1和抛物镜3的共轴为x轴，过抛物镜1顶点，垂直于x轴的直线为y轴，即：设定抛物镜1的方程为：

y²＝2px           (1)取入射孔的横坐标x₁为：x₁＝p₁/8，此时其纵坐标y₁为：y₁＝p₁/2。

此时，AC＝0.375p，AB＝0.5p。即：AB：AC＝4：3，得：OD：OC＝4：3。

因此，OC与OD的缩进量必须是一个确切的比值，才能保证图6的光路。

设此时OC＝3n，此时OD＝4n。

此时的单周期的光程为：

$l_0=4\sqrt{{(\frac{1}{2}{p}_1+\frac{4}{9}{p}_2+4n)}^2+{(\frac{3}{8}{p}_1+\frac{1}{3}{p}_2+3n)}^2}+\frac{3}{2}{p}_1+\frac{16}{9}{p}_2+28n---\left(2\right)$

当p₁＝80mm，p₂＝90mm时，由(2)式可以化为

l₀＝33n+380         (3)

本发明的有效光程计算如下：

设定入射光孔与出射光孔之间的距离为h₀，旋转周期为N，入射角度为θ，则有

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{h_0}{{\mathrm{Nl}}_0}---\left(4\right)$

即选择合适的入射角度角度θ，总光程L为

L＝Nl₀＝N(33n+380)        (5)

由(4)、(5)可知：

$L=\frac{h_0}{\tan \mathrm{\θ}}---\left(6\right)$

设定入射光孔与出射光孔之间的距离为h₀，旋转周期为N，入射角度为θ，则有

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{h_0}{{\mathrm{Nl}}_0}---\left(4\right)$

即选择合适的入射角度角度θ，总光程L为

L＝Nl₀＝N(33n+380)        (5)

由(4)、(5)可知：

$L=\frac{h_0}{\tan \mathrm{\θ}}---\left(6\right)$

综上所述，本实施例具有如下积极效果：

1.可以通过螺旋推进器改变抛物镜间距CE、DF的长或者更换不同焦距抛物镜两种方式，以增大单周期有效光程长度。

2.通过调节入射角度可以有效的增大有效总光程的长度。

3.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。

Claims (6)

1.一种基于抛物镜的开放式光学长程池，其特征是：开放式光学长程池包括四块面状抛物镜、开放气室、光纤耦合器、水平导轨和螺旋推进器；四块面状抛物镜对角分布在开放气室之中，并且垂直于开放气室的上盘和底盘；开放气室上盘对角安装四条水平导轨，底盘对应安装四条水平导轨，抛物镜安装在水平导轨上；面状抛物镜上设有入射孔与出射孔，其中一块面状抛物镜上同时开设入射光束的入射孔与出射孔；入射孔安装在抛物面镜的下表面，并设有角度控制器，使得入射光束可以从一定角度范围入射；入射孔与出射孔设有光纤耦合器；螺旋推进器连接推动面状抛物镜直线运动。

2.根据权利要求1所述的基于抛物镜的开放式光学长程池，其特征是：上盘和底盘由刚性支架连接，四根刚性支架固定上下刚性底盘，可以固定上盘和底盘的相对运动。

3.根据权利要求1所述的基于抛物镜的开放式光学长程池，其特征是：水平导轨安装有刚性夹具，刚性夹具固定抛物面镜，使得抛物面镜共轴移动。

4.根据权利要求3所述的基于抛物镜的开放式光学长程池，其特征是：刚性夹具上安装螺旋推进器，螺旋推进器推动刚性夹具在导轨上运动；螺旋推进器上有粗调和微调两种调节模式，推动抛物面镜在导轨方向上直线运动，微调旋钮精确对焦。

5.根据权利要求1所述的基于抛物镜的开放式光学长程池，其特征是：上盘水平导轨与底盘水平导轨分别有抛物镜暗槽孔，面状抛物镜固定在暗槽孔处，实现抛物镜的固定并呈对角分布。

6.根据权利要求1或5所述的基于抛物镜的开放式光学长程池，其特征是：出射孔和入射孔都安装自聚焦透镜与光纤耦合器，使得光束经过耦合进入光纤。