CN104297169B - 稳定紧凑型激光收发一体式探测光路结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稳定紧凑型激光收发一体式探测光路结构，包括有激光发射和接收装置、角锥反射镜装置，由监测仪主机激光器输出的激光，通过传输光纤外接光纤法兰耦合进入罩筒内的尾纤，激光经尾纤传导至激光准直镜，激光准直后经由中心开孔的接收镜射出，穿越密封窗镜和目标气体探测区，到达对面的角锥反射镜装置的角锥反射镜后形成反射光束，且沿主光路方向返回，有所扩展的返回光束再由接收镜接收和侧向反射聚焦，到达接收镜头和探测器，探测器探测接收光谱光信号，探测器输出的电信号经连接线传至输出接口，并通过外接电缆传回主机。本发明的光谱吸收光程增加一倍，不仅探测精度可获提高，应用范围也能拓宽；抗振性能明显增强。
Description
技术领域
本发明主要涉及烟道氨逃逸在线监测工程应用领域，尤其涉及一种稳定紧凑型激光收发一体式探测光路结构。
背景技术
目前各类原位安装的烟道氨逃逸光谱监测仪器，大都采用收发分离式光路系统装置，这种安装工作方式的不足之处，主要是受到单程吸收光谱的限制，对测量精度有一定的影响。同样立足于烟道原位安装方式工作，本监测仪采取的是收发一体式探测光路结构系统，运用往返光路，可以增大一倍的吸收光程，不仅测量精度可获提高，应用范围也能拓宽，尤其对于只具备烟道口径相对较小的行业系统而言，更具有应用优势。
原位安装烟道氨逃逸监测仪的探测光路装置处于户外条件工作，而且所在安装位置的振动干扰也大，为能适应此类工程应用环境，对于监测仪光路系统的各个结构环节，包括激光发射、反射、接收、探测和光路保护各个单元，进行了整体性和收发一体化的优化设计与研制，形成一套具有高度稳定性和经久耐用性的探测光路实用化装置。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种稳定紧凑型激光收发一体式探测光路结构。
本发明是通过以下技术方案实现的：
稳定紧凑型激光收发一体式探测光路结构，其特征在于：包括有激光发射和接收装置、角锥反射镜装置，所述的激光发射和接收装置包括有罩筒，罩筒内主光路上依次设有激光准直镜、接收镜、密封镜窗，罩筒内反射光路上设有接收镜头、探测器，罩筒后端设有光纤法兰、输出接口；角锥反射镜装置包括有角锥反射镜；由监测仪主机激光器输出的激光，通过传输光纤外接光纤法兰耦合进入罩筒内的尾纤，激光经尾纤传导至激光准直镜，激光准直后经由中心开孔的接收镜射出，穿越密封窗镜和目标气体探测区，到达对面的角锥反射镜装置的角锥反射镜后形成反射光束，且沿主光路方向返回，有所扩展的返回光束再由接收镜接收和侧向反射聚焦，到达接收镜头和探测器，探测器探测接收光谱光信号，探测器输出的电信号经连接线传至输出接口，并通过外接电缆传回主机。
所述的稳定紧凑型激光收发一体式探测光路结构，其特征在于：所述的罩筒的两端分别安装有罩筒螺旋后盖、法兰盘一，法兰盘一中心开有通光孔。
所述的稳定紧凑型激光收发一体式探测光路结构，其特征在于：所述的激光准直镜、接收镜、接收镜头和探测器集成安装于镜架的主面板上，所述的镜架包括有主面板、侧面板和底板，其中主面板为可调固定板，利用三个固定孔安装于侧面板，中间的固定孔为转动轴孔，主面板可作小角度俯仰调节，底板也有三个固定孔，用于镜架整体与固定支板的安装固定和小角度水平调节，固定支板的另一端通过固定螺钉固定在法兰盘一上，两维调节机构均采用螺钉刚性锁紧固定，具有高度的稳定性和抗振动性。
所述的稳定紧凑型激光收发一体式探测光路结构，其特征在于：所述的接收镜采用离轴抛物面镜，接收镜与转接座由三个螺钉固定相接，两者均中心开孔，并保持同轴安装，转接座由三个螺钉固定于镜架主面板的正面中心位置，激光准直镜紧配合安装于转接座的开孔内，由两个侧向螺钉锁紧固定，由此构成稳固的激光发射和接收的同轴光路。
所述的稳定紧凑型激光收发一体式探测光路结构，其特征在于：所述的接收镜头和探测器安装于连接支板的前后对应位置，两者之间由固定螺钉垫柱分隔适当距离，接收镜头用于增大接收孔径、用于均匀扩展激光探测的覆盖范围，有助于改善光信号探测的稳定性，增强光信号探测的抗振动性；连接支板固定于镜架主面板的侧面位置，连接支板一端的固定孔为两个腰形孔，可以横向移动固定，用以调整探测器对应位置，使之与抛物面接收镜保持中心位置对正。
所述的稳定紧凑型激光收发一体式探测光路结构，其特征在于：所述的密封窗镜倾斜设置，密封窗镜由密封圈封装于窗镜座，窗镜座由密封圈封装于法兰盘一。密封窗镜用于隔离保护，避免探测区烟尘污染光学装置部件；密封窗镜倾斜设置，避免镜面反射光干扰。
所述的稳定紧凑型激光收发一体式探测光路结构，其特征在于：所述角锥反射镜装置包括有小罩筒，小罩筒长度短于罩筒，小罩筒内的角锥反射镜装于镜框内并通过压圈固紧，镜框的后盖与镜框支座27固定，镜框支座固定于支板24上；小罩筒的两端分别安装后盖和法兰盘三。
所述的稳定紧凑型激光收发一体式探测光路结构，其特征在于：所述的激光发射和接收装置的后端与角锥反射镜装置的前端分别设有吹气保护筒装置，吹气保护筒装置包括有由外筒、内筒构成的夹层结构，外筒和内筒的后端与法兰盘二密封焊接，外筒和内筒前端设置半圆环形堵垫和半圆环形挡风盖，在端口形成侧向气流风帘，阻挡烟道中的烟尘进入保护筒内；吹气保护筒装置上设有夹层进风接口、内筒进风接口，经由三通阀与空气压缩机连接，吹气保护筒装置上还设有转接法兰盘，法兰盘二用于与法兰盘一、法兰盘三连接组装，转接法兰盘用于与工程预装件法兰盘的连接组装。吹气保护筒内层处于光路通道，内层前向吹风，也能用于光路窗镜的防护和清洁维护。
本发明的原理是：
本发明的收发一体式探测光路，激光发射和接收光元件同处装置一端，并且保持同光轴的结构关系，借助对面设置的角锥反射镜装置，可将发射光束沿原光路方向返回，在目标气体探测区内形成往返叠加吸收光路，返回光束经由接收镜接收、反射和聚焦，以及接收镜头的发散，到达光电探测器接收光谱光信号。
本发明的优点是：
本发明与通常采用的收发分离式单光程探测光路相比，光谱吸收光程增加一倍，不仅探测精度可获提高，应用范围也能拓宽；稳定紧凑的激光收发一体光路结构，抗振性能明显增强，加之气帘式吹气保护筒的配合使用，可以保持探测光路的长期正常运行。
附图说明
图1为本发明的激光发射与接收装置配装吹气保护筒装置的结构示意图。
图2为本发明的角锥反射镜装置配装相同的吹气保护筒装置的结构示意图。
图3为激光收发一体结构示意图。
图1中标号：1光纤法兰，2转接座，3激光准直镜，4镜架，5接收镜，6固定支板，7密封窗镜，8法兰盘，9接收镜头，10探测器，11镜片压圈，12连接支板，13输出接口，14罩筒，15罩筒螺旋后盖，16法兰盘，17内筒进风接口，18外筒，19内筒，20半圆环形堵垫，21半圆环形挡风盖，22法兰盘，23夹层进风接口。
图2中标号：24固定支板，25镜框及压圈，26角锥反射镜，27镜框支座，31小罩筒，32小罩筒螺旋后盖，33法兰盘，其它光路构件与图1相同。
图3中标号：28主面板，29侧面板，30底板，其它光路构件与图1相同。
具体实施方式
如图1、2所示，稳定紧凑型激光收发一体式探测光路结构，包括有激光发射和接收装置、角锥反射镜装置和吹气保护筒装置，激光发射和接收装置包括有罩筒14，罩筒14内主光路上依次设有激光准直镜3、接收镜5、密封镜窗7，罩筒14内反射光路上设有接收镜头9、探测器10，罩筒14后端设有光纤法兰1、输出接口13；角锥反射镜装置包括有角锥反射镜26。
1. 光路系统工作流程
由监测仪主机激光器输出的激光，通过传输光纤外接光纤法兰1耦合进入罩筒14内的尾纤，传导至激光准直镜3，发射激光经由中心开孔的接收镜5射出，穿越密封窗镜7和目标气体探测区，到达对面角锥反射镜装置的角锥反射镜26后形成反射光束，且沿主光路方向返回，有所扩展的返回光束再由接收镜5接收和侧向反射聚焦，到达接收镜头9和探测器10探测接收光谱光信号，探测器输出的电信号经连接线传至输出接口13，并通过外接电缆传回主机。
2. 激光收发一体装置结构
离轴抛物面接收镜5与转接座2由三个螺钉固定相接，两者均中心开孔，并保持同轴安装，转接座2由三个螺钉固定于镜架4主面板28的正面中心位置，激光准直镜3紧配合安装于转接座2的开孔内，由两个侧向螺钉锁紧固定，由此构成稳固的激光发射和接收的同轴光路。
接收镜头9和探测器10安装于连接支板12的前后对应位置，两者之间由固定螺钉垫柱分隔适当距离，接收镜头9用于增大接收孔径，有助于改善光信号探测的稳定性，增强光信号探测的抗振动性。连接支板12固定于镜架4主面板28的侧面位置，图1中两中心线之间的箭头所示，为该支板实际安装位置，支板一端的固定孔为两个腰形孔，可以横向移动固定，用以调整探测器对应位置，使之与抛物面接收镜5保持中心位置对正。
激光发射接收光元件全部紧凑安装于镜架4的主面板28上，彼此间相互位置一旦调整固定，便很难发生改变。镜架4由主面板28、侧面板29和底板30构成，其中主面板为可调固定板，利用三个固定孔安装于侧面板，中间的固定孔为转动轴孔，主面板可作小角度俯仰调节，镜架底板也有三个固定孔，用于镜架整体与固定支板6的安装固定和小角度水平调节，两维调节机构均采用螺钉刚性锁紧固定。实际使用情况表明，该镜架及其收发一体式整体装置，结构简洁紧凑适用，稳定可靠，能够增强和保持运行光路的稳定性和持久性。
3. 法兰盘、密封窗镜及罩筒结构
固定支板6、密封窗镜7和罩筒14均由固定螺钉安装于法兰盘8，法兰盘8中心开有通光孔。密封窗镜7由密封圈封装于窗镜座，窗镜座由密封圈封装于法兰盘8。密封窗镜7用于隔离保护，避免探测区烟尘污染光学装置部件。密封窗镜7倾斜设置，避免镜面反射光干扰。罩筒14筒壁后部装有进光光纤法兰1和输出接口13，为方便安装接插，设有罩筒螺旋后盖15。
4. 吹气保护筒装置结构
吹气保护筒为内外套筒夹层结构，外筒18和内筒19的后端与法兰盘16密封焊接，套筒前端设置半圆环形堵垫20和半圆环形挡风盖21，筒体外壁设置夹层进风接口23和内筒进风接口17，经由三通阀与空气压缩机连接。半圆环形堵垫20用于阻挡夹层吹风气流，半圆环形挡风盖21用于改变夹层端口的气流方向，可在端口形成侧向气流风帘，阻挡烟道中的烟尘进入保护筒内，有助于保护光路窗镜和探测光路的正常运行。吹气保护筒内层处于光路通道，内层前向吹风，也能用于光路窗镜的防护和清洁维护。法兰盘16用于与光学装置筒法兰盘8的连接组装，转接法兰盘22用于与工程预装件法兰盘的连接组装。
5. 角锥反射镜装置结构
角锥反射镜装置包括有小罩筒31，小罩筒31内的角锥发射镜26装于镜框25内，并通过压圈11固紧，镜框25后盖与镜框支座27固定，镜框支座27固定于支板24。小罩筒31长度短于罩筒14，且筒壁不需安装光电接口座，其它的结构尺寸与激光收发端相同。小罩筒31的两端分别安装后盖32和法兰盘33。原型角锥反射棱镜，外形棱角分明，不便安装，本装置将其进光面周边设计成圆形结构，使得安装结构相对简化。角锥棱镜用作反射光元件，可使反射光路沿入射原光路方向返回，保持往返光路的同轴性。法兰盘16还用于与角锥反射镜装置的法兰盘33的连接组装。
Claims (7)
1.稳定紧凑型激光收发一体式探测光路结构，其特征在于：包括有激光发射和接收装置、角锥反射镜装置，所述的激光发射和接收装置包括有罩筒，罩筒内主光路上依次设有激光准直镜、接收镜、密封镜窗，罩筒内反射光路上设有接收镜头、探测器，罩筒后端设有光纤法兰、输出接口；角锥反射镜装置包括有角锥反射镜；由监测仪主机激光器输出的激光，通过传输光纤外接光纤法兰耦合进入罩筒内的尾纤，激光经尾纤传导至激光准直镜，激光准直后经由中心开孔的接收镜射出，穿越密封窗镜和目标气体探测区，到达对面的角锥反射镜装置的角锥反射镜后形成反射光束，且沿主光路方向返回，有所扩展的返回光束再由接收镜接收和侧向反射聚焦，到达接收镜头和探测器，探测器探测接收光谱光信号，探测器输出的电信号经连接线传至输出接口，并通过外接电缆传回主机；
所述的激光准直镜、接收镜、接收镜头和探测器集成安装于镜架的主面板上，所述的镜架包括有主面板、侧面板和底板，其中主面板为可调固定板，利用三个固定孔安装于侧面板，中间的固定孔为转动轴孔，主面板可作小角度俯仰调节，底板也有三个固定孔，用于镜架整体与固定支板的安装固定和小角度水平调节，固定支板的另一端通过固定螺钉固定在法兰盘一上。
2.根据权利要求1所述的稳定紧凑型激光收发一体式探测光路结构，其特征在于：所述的罩筒的两端分别安装有罩筒螺旋后盖、法兰盘一，法兰盘一中心开有通光孔。
3.根据权利要求1所述的稳定紧凑型激光收发一体式探测光路结构，其特征在于：所述的接收镜采用离轴抛物面镜，接收镜与转接座由三个螺钉固定相接，两者均中心开孔，并保持同轴安装，转接座由三个螺钉固定于镜架主面板的正面中心位置，激光准直镜紧配合安装于转接座的开孔内，由两个侧向螺钉锁紧固定，由此构成稳固的激光发射和接收的同轴光路。
4.根据权利要求1所述的稳定紧凑型激光收发一体式探测光路结构，其特征在于：所述的接收镜头和探测器安装于连接支板的前后对应位置，两者之间由固定螺钉垫柱分隔适当距离，连接支板固定于镜架主面板的侧面位置，连接支板一端的固定孔为两个腰形孔，可以横向移动固定，用于调整探测器对应位置，使之与抛物面接收镜保持中心位置对正。
5.根据权利要求1或2 所述的稳定紧凑型激光收发一体式探测光路结构，其特征在于：所述的密封窗镜倾斜设置，密封窗镜由密封圈封装于窗镜座，窗镜座由密封圈封装于法兰盘一。
6.根据权利要求1所述的稳定紧凑型激光收发一体式探测光路结构，其特征在于：所述角锥反射镜装置包括有小罩筒，小罩筒长度短于罩筒，小罩筒内的角锥反射镜装于镜框内并通过压圈固紧，镜框的后盖与镜框支座固定，镜框支座固定于支板上；小罩筒的两端分别安装小罩筒螺旋后盖和法兰盘三。
7.根据权利要求1或2所述的稳定紧凑型激光收发一体式探测光路结构，其特征在于：所述的激光发射和接收装置的后端与角锥反射镜装置的前端分别设有吹气保护筒装置，吹气保护筒装置包括有由外筒、内筒构成的夹层结构，外筒和内筒的后端与法兰盘二密封焊接，外筒和内筒前端设置半圆环形堵垫和半圆环形挡风盖，在端口形成侧向气流风帘；吹气保护筒装置上设有夹层进风接口、内筒进风接口，经由三通阀与空气压缩机连接；吹气保护筒装置上还设有转接法兰盘，法兰盘二用于与法兰盘一、法兰盘三连接组装，转接法兰盘用于与工程预装件法兰盘的连接组装。
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