CN104729996B - 反射式的激光在线气体分析仪光路装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种反射式的激光在线气体分析仪光路装置，包括：依次连接的激光发射接收单元、去背景单元、在线监测单元和激光反射单元；激光发射接收单元包括，可调谐激光器、楔形镜一、参比池、探测器一、探测器二和探测器三，参比池及探测器一的主光轴方向与可调谐激光器发出激光的方向关于楔形镜一的第一表面的法线对称；去背景单元包括楔形镜二；激光反射单元包括楔形镜三和角反射镜。本发明通过被测气体的光程翻倍，大大提高了分析仪的灵敏度和检出限；安装调试简单方便；可实时在线测量；光学元器件少，结构简单，非专业人员亦可以完成光路调试和安装。

Description

反射式的激光在线气体分析仪光路装置

技术领域

本发明涉及光学和环保仪器技术领域，特别是涉及一种反射式的激光在线气体分析仪光路装置。

背景技术

激光在线气体分析仪采用可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable DiodeLaser Absorption Spectroscopy，简称TDLAS)，通过分析激光被气体的选择性吸收来获得气体的浓度。

调制光谱检测技术是一种被最广泛应用的可以获得较高检测灵敏度的半导体激光吸收光谱技术，它通过快速调制激光频率使其扫过被测气体吸收谱线的频率范围，然后采用相敏检测技术测量被气体吸收后透射谱线中的谐波分量来分析气体的吸收情况。光导体激光的频率一般有两种方法来调谐：一是通过改变半导体激光器的工作温度；另一种是通过改变激光器的工作电流。由于第二种能获得较快的光频率调谐速度，因此半导体激光吸收光谱技术普遍采用给半导体激光器注入一定频率的正弦波电流使激光频率扫描过整条吸收谱线来获得完整的吸收光谱数据。

TDLAS技术是一种高分辨率的光谱吸收技术，半导体激光穿过被测气体的光强衰减可用朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律来表达：

I_v＝I_v,0T(v)＝I_v,0exp[-S(T)g(v-v₀)PXL]

式中，I_v,0和I_v分别表示频率为v的激光入射时和经过压力P，浓度X和光程L后的光强；S(T)表示气体吸收谱线的强度；线性函数g(v-v₀)表征该吸收谱线的形状。

使用较高频率的正弦波来调制激光器的工作电流调制激光的光频率，对调制后的气体透过率作谐波分解，各谐波分量均反映了气体吸收谱线的透过率信息。基于半导体激光吸收光谱技术的仪器一般通过测量二次谐波信号来检测气体浓度：如下式

因此，只需获得二次谐波信号S_2f和激光光强直流分量I₀就可以分析获得被测气体的浓度X，其中比例系数K由标定获得。

激光在线气体分析仪用来进行连续工业过程和气体排放测量，用于恶劣工业环境，如钢铁各种燃炉、铝业和有色金属、化工、石化、水泥、发电、烟划草加工、废水处理和垃圾焚烧，现有激光在线气体分析仪灵敏度差、检出限高；当现场振动较大时会影响探测器信号的接收，振动过大时无法接收信号，需要技术人员重新调试，费时费力；在高粉尘、高颗粒工况下受背景干扰严重，无法正常工作；光学元器件多，安装调试复杂，需专业人员进行光路调试。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种可用来在线测量NH3、O2、H2O、CO、CO2、NO、HCl、HF、CH4等气体的浓度；不受背景气体干扰，能有效消除现场振动对光路的影响的反射式的激光在线气体分析仪光路装置。

根据本发明实施例的反射式的激光在线气体分析仪光路装置，包括依次连接的激光发射接收单元、去背景单元、在线监测单元和激光反射单元；

所述激光发射接收单元包括，可调谐激光器、楔形镜一、参比池、探测器一、探测器二和探测器三，所述参比池及所述探测器一的主光轴方向与所述可调谐激光器发出激光的方向关于所述楔形镜一的第一表面的法线对称，所述激光经所述楔形镜一的第一表面反射形成第一路反射光，所述第一路反射光经过所述参比池进入所述探测器一，所述激光经过所述楔形镜的第一表面折射后的激光经所述楔形镜的第二表面反射形成第二路反射光，所述第二路反射光通过所述楔形镜的第一表面折射进入所述探测器二，激光发射接收单元中采用楔形镜一的目的主要有两个：一是可以使激光经过楔形镜一的第一表面和第二表面反射后的激光分居在入射激光光束的两侧，便于第一路反射光经参比池进入探测器一这一光路光学元件及第二路反射光进入探测器二这一光路元件的安装；二是可以避免激光在楔形镜一的两个平面之间多次反射的光束光路重合，发生etalon(多光束干涉)现象；

所述去背景单元包括楔形镜二，经过所述楔形镜一的第二表面折射后的激光经过所述去背景单元穿过所述楔形镜二，楔形镜二除了防止自身的etalon现象外，其与楔形镜一具有一定角度，这是为了避免两个楔形镜之间的etalon现象发生；

穿过所述楔形镜二的激光经过所述在线监测单元，被测气体通过在线监测单元，在线监测单元保证被测气体正常通过之余，还要将激光反射单元与去背景单元牢固的固定在一起，以保证激光可以顺利进入探测器三；

所述激光反射单元包括楔形镜三和角反射镜，经过所述在线监测单元的激光穿过所述楔形镜三后入射到所述角反射镜，被所述角反射镜反射的激光依次穿过所述楔形镜三、所述楔形镜二和所述楔形镜一进入所述探测器三，楔形镜三主要起三个作用：一是防止自身的etalon现象；二是防止其与楔形镜二之间的etalon现象；三是将角反射镜密封于激光反射单元内，防止粉尘、颗粒物对角反射镜造成污染，影响反向激光光路。

与现有技术相比，现有激光在线气体分析仪，灵敏度低、检出限高；易受背景气体干扰；在振动环境下不能准确分析监测；本发明的反射式的激光在线气体分析仪光路装置，不受背景气体的交叉干扰，；通过被测气体的光程翻倍，大大提高了分析仪的灵敏度和检出限；安装调试简单方便；可实时在线测量，无需采样预处理；光学元器件少，结构简单，非专业人员亦可以完成光路调试和安装；独特的光路设计，可有效消除监测现场振动对光路造成的影响。

另外，根据本发明上述实施例的反射式的激光在线气体分析仪光路装置还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个示例，所述楔形镜一倾斜地安装在所述激光发射接收单元内，楔形镜一与竖直面的倾角一般在3°以下。

根据本发明的一个示例，所述第一路反射光穿过所述参比池进入所述探测器一，用于确定气体浓度吸收系数K。

根据本发明的一个示例，所述第二路反射光进入探测器二用于实时监测半导体激光的强度。

根据本发明的一个示例，所述角反射镜采用玻璃材料制成。

根据本发明的一个示例，所述角反射镜为由镀金属膜的平面镜粘合而成。

根据本发明的一个示例，所述可调谐激光器上安装有准直透镜。

根据本发明的一个示例，所述楔形镜一与所述楔形镜二将所述去背景单元两端密封，使所述去背景单元内部形成密封腔体。仪器测量时去背景单元充入去背景气体(如：N2)，防止背景气体中含有的少量被测气体对测量结果形成干扰。

根据本发明的一个示例，所述楔形镜三位于所述激光反射单元左侧且密封所述激光反射单元。

根据本发明的一个示例，所述角反射镜位于所述激光反射单元的密封腔体内。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的反射式的激光在线气体分析仪光路装置的示意图。

其中，10为激光发射接收单元，20为去背景单元，30为在线监测单元，40为激光反射单元，101为半导体激光器，102为楔形镜一，103为参比池，104为探测器一，105为探测器二，106为探测器三，201为楔形镜二，401为楔形镜三，402为角反射镜。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图来详细描述根据本发明实施例的反射式的激光在线气体分析仪光路装置。

如图1所示，根据本发明实施例的反射式的激光在线气体分析仪光路装置10，包括：包括依次连接的激光发射接收单元10、去背景单元20、在线监测单元30和激光反射单元40；激光发射接收单元10包括，可调谐激光器101、楔形镜一102、参比池103、探测器一104、探测器二105和探测器三106，参比池103及探测器一104的主光轴方向与可调谐激光器101发出激光的方向关于楔形镜一102的第一表面的法线对称，激光经楔形镜一102的第一表面反射形成第一路反射光，第一路反射光经过参比池103进入探测器一104，激光经过楔形镜一的第一表面折射后的激光经楔形镜一的第二个表面反射形成第二路反射光，第二路反射光通过楔形镜一的第一表面折射进入探测器二105；去背景单元20包括楔形镜二201，经过楔形镜一102的第二表面折射后的激光经过去背景单元20穿过楔形镜二201；穿过楔形镜二201的激光经过在线监测单元30；激光反射单元40包括楔形镜三401和角反射镜402，经过在线监测单元30的激光穿过楔形镜三401后入射到角反射镜402，被角反射镜402反射的激光依次穿过楔形镜三401、楔形镜二201和楔形镜一102进入探测器三106，得到被测气体的吸收谱线。

其中，楔形镜一102倾斜设置于激光发射接收单元10中，其与竖直面的倾角在3°以下，楔形镜一、楔形镜二和楔形镜三非平行排列设置，它们在空间上的位置设置相互之间都具有一定的角度，以避免etalon现象对监测结果的影响；激光发射接收单元10用于激光发射、气体浓度吸收比例系数K的确定、激光强度的实时监控以及被测气体的二次谐波信号的监测；去背景单元20被楔形镜一102和楔形镜二201密封后通入去背景气体(如：N2)防止背景气体中被测气体对监测结果的干扰；在线监测单元30保证被测气体正常通过外，还要将激光反射单元40与去背景单元20连接在一起；激光反射单元40确保入射后的激光能顺利沿原路返回，并不受环境振动的影响。

本发明一般置于烟道中，其激光发射接收单元10、去背景单元20和激光反射单元是密封的，不与大环境相连，被测气体是从烟道底部通过在线监测单元30到达烟道顶部。

根据本发明的一些实施例，第一路反射光穿过参比池103进入探测器一104，用于确定气体浓度吸收系数K；第二路反射光进入探测器二105用于实时监测半导体激光的强度。

根据本发明的一些实施例，角反射镜402采用玻璃材料制成或者是由三块镀金属膜的平面镜粘合而成。

根据本发明的一些实施例，可调谐激光器101上安装有准直透镜(图中未示出)，可调谐激光器101一般都是光纤传导激光，安装准直透镜可将可调谐激光器发出的激光准直，准直后的激光水平的入射到楔形镜一102的第一表面。

根据本发明的一些实施例，楔形镜一102与楔形镜二201将去背景单元20两端密封，使去背景单元内部形成密封腔体。仪器测量时去背景单元20充入去背景气体(如：N2)，防止背景气体中含有的少量被测气体对测量结果形成干扰。

根据本发明的一些实施例，楔形镜三401位于激光反射单元40左侧且密封激光反射单元40。

根据本发明的一些实施例，角反射镜402位于激光反射单元40的密封腔体内，防止粉尘、颗粒物对角反射镜造成污染，影响反向激光光路；同时角反射镜的应用使得振动对光路的影响大大减弱，解决了现有技术中由于振动过大无法接收信号，需要重新调试的技术问题。

本发明的可调谐激光器出射的激光经楔形镜第一表面时反射光用于确定气体浓度吸收比例系数K；折射光经第二表现时的反射光用于实时监测可调谐激光器的强度；经第二表面的折射光仿效通过去背景单元、在线监测单元和激光反射单元，再沿原路返回并最终进入探测器得到被测气体的吸收谱线。这种反射式激光在线气体分析仪将激光通过被测气体的光程翻倍，成倍的增强了被测气体对激光的吸收，进而增加了二次谐波信号的强度，大大提高了分析仪的灵敏度和检出限；激光发射和接收单元合二为一，安装调试简单方便；该分析仪直接安装在监测现场，可实时在线测量，无需采样预处理；光学元器件少、结构简单，非专业人员亦可完成光路调试及安装；独特的光路设计，可有效消除监测现场振动对光路造成的影响；不受背景气体的交叉干扰，不受粉尘与视窗污染的影响，在高粉尘、高颗粒物的工况下仍能准确分析监测，还可自动进行温度、压力修正，保证测量的准确性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种反射式的激光在线气体分析仪光路装置，其特征在于，包括依次连接的激光发射接收单元、去背景单元、在线监测单元和激光反射单元；

所述激光发射接收单元包括，可调谐激光器、楔形镜一、参比池、探测器一、探测器二和探测器三，所述参比池及所述探测器一的主光轴方向与所述可调谐激光器发出激光的方向关于所述楔形镜一的第一表面的法线对称，所述激光经所述楔形镜一的第一表面反射形成第一路反射光，所述第一路反射光经过所述参比池进入所述探测器一，所述激光经过所述楔形镜一的第一表面折射后的激光经所述楔形镜一的第二表面反射形成第二路反射光，所述第二路反射光通过所述楔形镜一的第一表面折射进入所述探测器二；

所述去背景单元包括楔形镜二，经过所述楔形镜一的第二表面折射后的激光经过所述去背景单元穿过所述楔形镜二；

穿过所述楔形镜二的激光经过所述在线监测单元；

所述激光反射单元包括楔形镜三和角反射镜，经过所述在线监测单元的激光穿过所述楔形镜三后入射到所述角反射镜，被所述角反射镜反射的激光依次穿过所述楔形镜三、所述楔形镜二和所述楔形镜一进入所述探测器三。

2.根据权利要求1所述的反射式的激光在线气体分析仪光路装置，其特征在于，所述楔形镜一倾斜地安装在所述激光发射接收单元内。

3.根据权利要求1所述的反射式的激光在线气体分析仪光路装置，其特征在于，所述第一路反射光穿过所述参比池进入所述探测器一，用于确定气体浓度吸收系数K。

4.根据权利要求1所述的反射式的激光在线气体分析仪光路装置，其特征在于，所述第二路反射光进入探测器二用于实时监测半导体激光的强度。

5.根据权利要求1所述的反射式的激光在线气体分析仪光路装置，其特征在于，所述角反射镜采用玻璃材料制成。

6.根据权利要求1所述的反射式的激光在线气体分析仪光路装置，其特征在于，所述角反射镜为由镀金属膜的平面镜粘合而成。

7.根据权利要求1所述的反射式的激光在线气体分析仪光路装置，其特征在于，所述可调谐激光器上安装有准直透镜。

8.根据权利要求1所述的反射式的激光在线气体分析仪光路装置，其特征在于，所述楔形镜一与所述楔形镜二将所述去背景单元两端密封，使所述去背景单元内部形成密封腔体。

9.根据权利要求1所述的反射式的激光在线气体分析仪光路装置，其特征在于，所述楔形镜三位于所述激光反射单元左侧且密封所述激光反射单元。

10.根据权利要求1所述的反射式的激光在线气体分析仪光路装置，其特征在于，所述角反射镜位于所述激光反射单元的密封腔体内。