CN104062251A - 一种采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器，包括传感器壳体，安装在壳体内部的传感器芯体，及安装在芯体两端的一对橡胶固定垫以及套装在芯体上的防尘防潮网；在所述传感器芯体内安装有激光发射、接收头、采用空间反射结构的反射棱镜组及薄膜遮光片。本发明所述采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器，采用空间反射结构，可以克服现有技术中光程短、耦合状态易受振动影响和灵敏度低、体积大等缺陷，可真正用于实际应用。本发明所述采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器通过光纤与检测仪主机相联，光纤长度可达4KM，是一款绝对本质安全型的气体传感器。

Description

一种采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体地，涉及一种采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器。

背景技术

气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器，可以将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。

气体传感器包括：半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器等。

但是，现有传感器，没有一款可满足绝对本质安全需求，光纤传输式光谱吸收型传感器介绍文章很多，却没有一款可实际应用的产品（包括怀特腔（专利产品）），红外线式传感器也有用光纤传输的，但由于其光程太小及其所采用的检测技术无法达到高灵敏度和高精度要求，因此需我们自主研制。

我们所涉项目，需要高精度高灵敏度气体检测，同时安全性又要求极高。经调研分析后，我们采用激光光谱分析法进行气体检测并采用光纤传输式传感器，检则仪与传感器探头分离，使用光纤联接检测仪与传感器探头，满足绝对本质安全需求，由于检测灵敏度与检测光程相关，因此传感器探头必须有足够长的光程，同时体积不能大，重量也需轻。因此研制一款采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器是项目的关键。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在光程短、耦合状态易受振动影响和适用范围小等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术中没有此类传感器、而实际应用中需要设计此类传感器的问题，提出一种采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器，采用空间反射结构，以实现光程长、耦合状态不易受振动影响、体积小、重量轻的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器，包括传感器壳体，安装在所述传感器壳体内部的传感器芯体，安装在所述传感器芯体两端的一对橡胶固定垫，以及套装在芯体上的防尘防潮网；安装在所述传感器芯体中的激光发射、接收头、采用空间反射结构的反射棱镜组（如反射棱镜）、塑料支架（即激光发射、接收头反射棱镜组支架）、薄膜垫片、橡胶垫、金属封板（即金属固定板）、芯体主构件支架；

安装时，通过在所述传感器芯体两端安装一对橡胶固定垫后，再将安装有一对橡胶固定垫的传感器芯体安装在传感器壳体内。

进一步地，以上所述的采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器，还包括安装在所述传感器壳体内的防尘防潮滤网。

进一步地，所述防尘防潮滤网是套装在传感器芯体支架上的双层柔性材料网，双层柔性材料网中间含有防潮材料，在整体传感器结构中是套装在传感器芯体两端一对橡胶垫之间的位置。只需套装无其它安装需求，维护更换非常方便。

进一步地，所述传感器芯体，包括芯体主构件支架，还包括反射棱镜与激光发射、接收头，用于固定所述反射棱镜与激光发射、接收头的支架、金属固定板、橡胶垫，以及安装在所述反射棱镜与芯体主构件之间的薄膜垫片；

具体使用时，组装时，分为芯体组装和传感器组装两部分。芯体组装时，将激光发射、接收头通过镙纹拧接到激光发射、接收头及小棱镜支架上，在传感器支架的一端放置薄膜垫片及小棱镜组，再安装激光发射、接收头及小棱镜支架，通过所述金属固定板及橡胶垫固定在传感器支架上，在传感器支架的另一端放置薄膜垫片及大棱镜，再安装大棱镜支架，最后通过所述金属固定板及橡胶垫将大棱镜固定在传感器支架上，完成芯体组装。传感器组装时，将防尘防潮滤网套装在芯体上，在芯体两端安装橡胶垫后，安装于传感器的金属罩网内，再安装传感器联接件，用8个小镙钉将传感器联接件与金属罩网固定，捋顺好光纤，将橡胶封头安装于传感器联接件中即完成传感器的组装。

进一步地，所述传感器支架与传感器壳体之间采用柔性联接。

进一步地，所述棱镜与芯体结构支架之间采用薄膜垫片联接。薄膜垫片颜色为黑，其作用有二：一是避免棱镜与支架之间的刚性联接；二是减少棱镜反射面的宽度，从而减产杂光干扰。

进一步地，所述反射棱镜的反射面采用空间反射结构。这里，空间反射结构是创新点在我们已调研的所有结构中未见本设计中所述空间反射结构。以腑视平面为水平面说明空间反射，检则激光从发射头发出后经大棱镜水平反射至接收头端的第一个小棱镜，此小棱镜进行向上垂直反射至大棱镜，大棱镜再水平反向反射，再至发射端的第一个小棱镜，该小棱镜再向上垂直反射至大棱镜，此理，经过所有小棱镜反射后，最后经大棱镜反射回激光接收头。以四个小棱镜（根据光程需求可增减小棱镜数量）计算，光程为反射腔距离的10倍。

进一步地，所述传感器支架采用高强度光路元器件支架，使光纤探头、反射棱镜和传感器支架形成一个抗震整体。

进一步地，所述激光发射、接收头，采用小型渐变折射率透镜。

进一步地，所述反射棱镜的数量及大小根据实际需求确定：当光程低于1M时，采用一大两小反射棱镜；当光程大于1M时，采用一大四小反射棱镜；也可根据光程需求增加小棱镜的数量。

本发明的采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器，首次采用棱镜组实现空间反射，薄膜垫片也是首次用于光路去噪，橡胶垫在结构中的作用是减振，整体结构中未有任何调节机构，传感器具有较高的稳定性；芯体支架的结构保证了棱镜组之间位置固定，且无需过高精度，便于生产装配；重点解决两大问题：一是在较小的机构中满足长光程需求，二是解决振动对光耦合的影响。

本发明各实施例的采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器，由于包括传感器壳体，安装在壳体内部的传感器芯体，及安装在芯体两端的一对橡胶固定垫以及套装在芯体上的防尘防潮网；在传感器芯体内安装有激光发射、接收头、采用空间反射结构的反射棱镜组及薄膜遮光片；安装时，通过在传感器芯体两端安装一对橡胶固定垫后，再将安装有一对橡胶固定垫的传感器芯体安装在传感器壳体内；从而可以克服现有技术中光程短、耦合状态易受振动影响和适用范围小的缺陷，以实现光程长、耦合状态不易受振动影响和适用范围大的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器中光谱吸收式长光程气体传感器结构示意图，其中，a为腑视剖面图；b发射头与棱镜组正视剖面图；c接收头与棱镜组正视剖面图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

10-激光发射头；11-激光接收头；12-反射小棱镜；13-反射大棱镜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，如图1所示，提供了一种采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器。

本实施例的采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器，包括传感器壳体，安装在壳体内部的传感器芯体，及安装在芯体两端的一对橡胶固定垫以及套装在芯体上的防尘防潮网；在传感器芯体内安装有激光发射、接收头（如激光发射头10和激光接收头11）、采用空间反射结构的反射棱镜组及薄膜遮光片。

其中，上述防尘防潮滤网，具体是套装在传感器支架上的双层柔性材料网，两层中间含有防潮材料，在整体传感器结构中是套装在芯体两端橡胶垫之间的位置。只需套装无其它安装需求，维护更换非常方便。

上述传感器芯体，包括芯体主构件支架，还包括反射棱镜与激光发射、接收头，用于固定所述反射棱镜与激光发射、接收头的支架、金属固定板、橡胶垫，以及安装在所述反射棱镜与芯体主构件之间的薄膜垫片；组装时，通过设置在反射棱镜与传感器支架之间的薄膜垫片将反射棱镜安装在传感器支架上，并将激光发射、接收头安装在支架上后，通过金属固定板固定传感器支架，形成一个稳固的传感器芯体；具体使用时，组装时，分为芯体组装和传感器组装两部分。芯体组装时，将激光发射、接收头通过镙纹拧接到激光发射、接收头及小棱镜支架上，在传感器支架的一端放置薄膜垫片及小棱镜组，再安装激光发射、接收头及小棱镜支架，通过所述金属固定板及橡胶垫固定在传感器支架上，在传感器支架的另一端放置薄膜垫片及大棱镜，再安装大棱镜支架，最后通过所述金属固定板及橡胶垫将大棱镜固定在传感器支架上，完成芯体组装。传感器组装时，将防尘防潮滤网套装在芯体上，在芯体两端安装橡胶垫后，安装于传感器的金属罩网内，再安装传感器联接件，用8个小镙钉将传感器联接件与金属罩网固定，捋顺好光纤，将橡胶封头安装于传感器联接件中即完成传感器的组装。

在上述实施例中，传感器支架与传感器壳体之间采用柔性联接；棱镜与芯体结构支架之间采用薄膜垫片联接，薄膜垫片颜色为黑，其作用有二：一是避免棱镜与支架之间的刚性联接；二是减少棱镜反射面的宽度，从而减产杂光干扰。反射棱镜的反射面采用空间反射结构，空间反射结构，具体为：以腑视平面为水平面说明空间反射，检则激光从发射头发出后经大棱镜水平反射至接收头端的第一个小棱镜，此小棱镜进行向上垂直反射至大棱镜，大棱镜再水平反向反射，再至发射端的第一个小棱镜，该小棱镜再向上垂直反射至大棱镜，此理，经过所有小棱镜反射后，最后经大棱镜反射回激光接收头；以四个小棱镜计算，光程为反射腔距离的10倍；根据光程需求能够增减小棱镜数量。传感器支架采用高强度光路元器件支架，使光纤探头、反射棱镜和传感器支架形成一个抗震整体。激光发射、接收头，采用小型渐变折射率透镜。反射棱镜的数量及大小根据实际需求确定：当光程低于1M时，采用一大两小反射棱镜（如可以包括反射小棱镜12和反射大棱镜13）；当光程大于1M时，采用一大四小反射棱镜，还能够根据光程需求增加反射棱镜数量。

我们使用空间反射结构替代平面反射，这样在不增加传感器体积的情况下可大幅提高光程长度。采用高强度光路元器件支架，使光纤、反射棱镜、支架形成一个抗震整体，支架整体与封壳采用柔性联接，从而大大提高了传感器的抗震能力，使光谱吸收式光纤传感器真正实用化。

光程低于1M时，我们采用一大两小反射棱镜，大于1M时采用一大四小反射棱镜（如图所示）。由于检测光源使用激光，检测光的宽度很小，低于1mm，因此选用较小的棱镜，可以减小传感器的整体尺寸。

同时，发射、接收头采用小型渐变折射率透镜，以减小光路噪音。

传感器组装时，在反射棱镜与支架之间有一层薄膜垫片，颜色为黑，其作用有二：一是避免棱镜与支架之间的刚性联接；二是减少棱镜反射面的宽度，从而减产杂光干扰。反射棱镜固定支架为塑料支架，通过金属固定板将其固定于传感器支架上，增强其联接柔性，形成一个稳固的传感器芯体。

传感器芯体通过在其两端安装的橡胶固定垫，将其安装于传感器壳体内，更增强了其抗振能力。

传感器壳体内装配透气性很好的防尘防潮滤网，传感器壳体非常容易拆卸，以便于维护防尘防潮滤网。

综上所述，本发明上述各实施例的采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器，具体为光谱吸收式长光程气体传感器。该光谱吸收式长光程气体传感器，至少可以达到以下有益效果：

⑴体积小，便于安装；

⑵光程长可满足高灵敏度检验要求；

⑶解决了耦合状态易受振动影响的难题，使之成为一款真正可实用的光谱吸收式光纤传感器。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器，其特征在于，包括传感器壳体，安装在所述传感器壳体内部的传感器芯体，安装在所述传感器芯体两端的一对橡胶固定垫，以及套装在芯体上的防尘防潮网；在所述传感器芯体内安装有激光发射、接收头、采用空间反射结构的反射棱镜组及薄膜遮光片；

安装时，通过在所述传感器芯体两端安装一对橡胶固定垫后，再将安装有一对橡胶固定垫的传感器芯体安装在传感器壳体内。

2.根据权利要求1所述的采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器，其特征在于，所述防尘防潮滤网，具体是套装在传感器支架上的双层柔性材料网，两层中间含有防潮材料，在整体传感器结构中是套装在芯体两端橡胶垫之间的位置。

3.根据权利要求1或2所述的采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器，其特征在于，所述传感器芯体，包括芯体主构件支架，还包括反射棱镜与激光发射、接收头，用于固定所述反射棱镜与激光发射、接收头的支架、金属固定板、橡胶垫，以及安装在所述反射棱镜与芯体主构件之间的薄膜垫片；

组装时，分为芯体组装和传感器组装两部分；

芯体组装时，将激光发射、接收头通过镙纹拧接到激光发射、接收头及小棱镜支架上，在传感器支架的一端放置薄膜垫片及小棱镜组，再安装激光发射、接收头及小棱镜支架，通过所述金属固定板及橡胶垫固定在传感器支架上，在传感器支架的另一端放置薄膜垫片及大棱镜，再安装大棱镜支架，最后通过所述金属固定板及橡胶垫将大棱镜固定在传感器支架上，完成芯体组装；

传感器组装时，将防尘防潮滤网套装在芯体上，在芯体两端安装橡胶垫后，安装于传感器的金属罩网内，再安装传感器联接件，用8个小镙钉将传感器联接件与金属罩网固定，捋顺好光纤，将橡胶封头安装于传感器联接件中即完成传感器的组装。

4.根据权利要求3所述的采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器，其特征在于，所述传感器芯体与传感器壳体之间采用柔性联接。

5.根据权利要求3所述的采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器，其特征在于，所述棱镜与芯体结构支架之间采用薄膜垫片联接。

6.根据权利要求3所述的采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器，其特征在于，所述反射棱镜的反射面采用空间反射结构；

所述空间反射结构，具体为：

以腑视平面为水平面说明空间反射，检则激光从发射头发出后经大棱镜水平反射至接收头端的第一个小棱镜，此小棱镜进行向上垂直反射至大棱镜，大棱镜再水平反向反射，再至发射端的第一个小棱镜，该小棱镜再向上垂直反射至大棱镜，此理，经过所有小棱镜反射后，最后经大棱镜反射回激光接收头；以四个小棱镜计算，光程为反射腔距离的10倍；根据光程需求能够增减小棱镜数量。

7.根据权利要求3所述的采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器，其特征在于，所述传感器支架采用高强度光路元器件支架，使光纤探头、反射棱镜和传感器支架形成一个抗震整体。

8.根据权利要求3所述的采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器，其特征在于，所述激光发射、接收头，采用小型渐变折射率透镜。

9.根据权利要求3所述的采用空间反射结构的光纤传输式长光程激光气体传感器，其特征在于，所述反射棱镜的数量及大小根据实际需求确定：当光程低于1M时，采用一大两小反射棱镜；当光程大于1M时，采用一大四小反射棱镜，还能够根据光程需求增加反射棱镜数量。