CN104914516A - 光耦合模块 - Google Patents

Abstract

针对TDLAS技术的使用环境苛刻，缺少适用于矿山、井下等需要防尘、防潮与通风要求的光感终端的不足，本发明提供一种光感终端，其自身呈圆柱管状；在光耦合模块的顶部沿长轴方向开有槽口；槽口的长度在10-1600mm之间；槽口的两条长边之间的夹角α在160°～210°之间；光耦合模块的两端即为固定准直器的耦合固定筒，在耦合固定筒上均开有贯穿的定位孔。本产品的有益技术效果是，本产品体积小、抗温度形变能力强，导气能力强，能够使得运用TDLAS技术的设备的气体采样端能够在矿山、井下等复杂环境工作。

Description

光耦合模块

技术领域

本发明属于气体监测设备领域，具体涉及一种光耦合模块。

背景技术

当前，随着经济建设迅速发展, 危险化学品气体的使用越来越广泛，其生产、储存、运输等各个环节面临的最大挑战就是安全问题, 时刻威胁着人们的健康和安全,对社会稳定造成不良影响。而造成当前我国危险化学品气体事故多发、后果严重的重要原因之一就是其检测监控技术的落后。

目前，市场上用于危险化学品气体监测的产品普遍为传统的电化学传感器。其工作原理是通过催化燃烧式和热导式气敏元件将待测气体的浓度值转换成电压信号送入传感器中进行放大处理。传感器中的单片机控制单元将接收到的电信号处理转换，最终输出显示数据和各种不同制式的信号，并对采集数据分析判断后输出报警信号，驱动后发出声光报警。电化学传感器具有测量范围小，灵敏度差、使用寿命短，存在零点漂移和灵敏度漂移，需要频繁维护，成本高等问题。同时电化学传感器需要电源供电，在危险化学品气体范围内，电流的存在会形成爆炸隐患，并且在电化学传感器工作区域如果发生事故导致电源断电，电化学传感器将无法正常工作，这将对之后的事故处理造成极大影响。

为了克服上述气体监测设备普遍存在的需要电源供电、测量范围小，灵敏度差、使用寿命短，存在零点漂移和灵敏度漂移，需要频繁维护，成本高等问题，目前学术界提出了采用可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术，光感终端通过光纤将气体浓度信号传输至系统监控设备，从而实现气体浓度的监测的技术方案。TDLAS技术以可调谐半导体激光器作为光源，具有很高的光谱分辨率和可调谐性，有益效果如下：实现了工作时无需电源供电；在不能使用电力的特殊环境下可正常进行监测。如遇事故发生，事故现场断电，可为后续应急救援提供持续实时监测；不存在传统气体监测设备“中毒”失效的情况、高浓度气体冲击与零点漂移等问题，稳定性好，降低监测数据的误报和漏报；在监测一种气体时不受空气中其他气体干扰和温度、水汽、粉尘等环境因素影响；在不失灵敏度的情况下，反应速度可以达到毫秒级(ms)。可以做到实时监测气体浓度的快速变化情况。监测范围广，可实现8至125个监测点同时监测；使用寿命在5 年以上，远高于传统气体监测设备（电化学传感器）1 年使用寿命。

尽管TDLAS技术的运用为我国的检测监控技术的整体提高提供了新的方向与思路，但其目前仍处于实验理论验证与工业推广的阶段，对复杂工作环境的适应能力相对较差：现有的TDLAS气体检测设备都是在底面使用的，其探测终端内用来探测气体浓度的两个准直器是分别固定在精密光学检测平台上的，每次使用前需要反复的校准，确保两个准直器的出光轴完全重合才能达到最佳的检测效果。需要高精度的气动检测平台以及复杂的调校仪器，对于厂矿及井下作业，是不现实的。需要把配有两个准直器的检测端小型化、一体化设计与组装，尽可能地满足工厂、矿区的生产需求。

为此，有人提出：先将两个准直器在高精度光学检测平台上对准耦合后，再将上述两个准直器分别粘在一个塑料或玻璃材质的长条状的连接件上，实现对准直器的固定和校准；但长条状的连接件与准直器之间是单侧接触，固定的效果差且长条状的连接件自身也存在形变，故实际的解决效果不理想；

随后，又有人提出将长条状的连接件改为L形状的连接件，一方面增强状连接件自身抗形变能力，再者L形的连接件从两个侧面与准直器连接，有助于提高粘附的效果；但该方案经实际检测，依旧不适合在厂矿使用，存在抗冲击、跌落差，在高粉尘潮湿环境易变形等问题；学者们纷纷提出进一步的改进方案：如将截面呈L型的定位板再固定在一个块体上，强化固定效果；或者直接选用一个大块体材料，直接在块材上开槽并固定准直器；或平行连接多对的准直器，通过取平均值来克服因形变而导致的准直器之间耦合度变差、精度下降的难题。上述方案，在提高或维持准直器的耦合度时，无一不是采取增加连接件的体积或是复杂的方式实现的。连接件体积的增大，使得转载连接件及准直器的检测前端的体积需要相应的增加，使得产品变得臃肿、不适合在待检测点放置；此外，由于TDLAS技术的突出特点就是检测终端（前端）是无需电源的，单靠光信号实现采样，用电设备均放置在远程端；即检测终端（前端）是没有配置电动抽换气装置的，连接件及其附属件的结构越复杂、体积越大，就越影响检测终端（前端）与待检测环境气体的交换速率与效果，环境气流无法及时进入检测终端（前端）内部，检测的精度也就无从谈起。

为此，为了使TDLAS技术的设备能够真正意义上地推广至厂矿企业，尤其是深隧道、换气不畅的特殊环境，迫切需要提供一种准直器连接装置，不但长期确保高精度的耦合效率，且结构简单、体积小巧，能够安置在井下狭窄隧道环境，且结构紧凑、结实，防尘防潮，符合井下通风要求。

发明内容

针对TDLAS技术的使用环境苛刻，缺少适用于矿山、井下等需要防尘、防潮与通风要求的光感终端的不足，本发明提供一种光感终端，能够使得运用TDLAS技术的设备的气体采样端能够在矿山、井下等环境工作，其具体结构如下：

光耦合模块，其自身呈圆柱管状；在光耦合模块的顶部沿长轴方向开有槽口2；槽口2的长度L2在10-1600mm之间；槽口2的两条长边之间的夹角α在160°～210°之间；光耦合模块的两端即为固定准直器的耦合固定筒3，在耦合固定筒3上均开有贯穿的定位孔5。

进一步地说，光耦合模块杆体的长度L1在30-1700mm之间，光耦合模块杆体的内径在4.0～7.0mm之间，壁厚在0.6～2.0mm之间。

进一步地说，在耦合固定筒3内均套有网状筒6。

进一步地说，在光耦合模块杆体的底部沿长轴方向开有浅槽7，浅槽7的底面为弧面；在浅槽7内配有抗形变条8。

进一步地说，在浅槽7两侧的光耦合模块表面各镀有两条散热条4。

进一步地说，光耦合模块的材料为1Cr18Ni9的不锈钢；抗形变条8的材料为1Cr18Ni9的不锈钢；散热条4的材料为1Cr18Ni9的不锈钢。

有益的技术效果

1、本产品的耦合精度高、维持时间久、产品本身不易变形、适应井上井下的温差变化；

2、本产品的杆身部位的截面均为曲面，具有良好的抗形变效果，使得本产品再延伸较长的距离下两端不易变形、起翘；

3、本产品的两个耦合固定筒3同轴，与准直器呈环绕式的连接，确保胶粘时的均匀，避免了非对称粘胶单侧、相邻两侧胶粘时粘附力不均匀，抗胶水收缩固化时变化应力差的问题。此外，同轴的耦合固定筒3可确保更好的耦合效果；

4、本产品的耦合固定筒3上开有定位孔5，既可以通过旋拧螺丝方式固定，也可用胶水固定；且由于是贯穿式的设计，使得胶水更好地渗透至耦合固定筒3中；

5、本产品的耦合固定筒3内分别套有网状筒6，能够改善用来固定光耦合模块与准直器的胶水的粘附强度，减轻胶水在固化过程中的收缩而带来的形变，确保准直器的固定效果。此外，网状筒6有助于粘胶时胶水能够充分、均匀地渗透并充满耦合固定筒3与准直器的缝隙；

6、本发明通过浅槽7与抗形变条8共同提高本产品的机械强度，且能防止本产品的两端向槽口弯曲与形变；

7、本发明的散热条4一方面将待测环境的热量均匀、快速传导至本产品，防止因温度不均匀而带来的形变，另一方面散热条4也起到加强肋的作用；

8、本产品的横截面积不足准直器截面的两倍，体积是现有采用块体实现抗形变的准直器连接件的1/5～1/10。从而使得配套的检测终端前端的体积相应可以答复的缩小。由于本产品的截面积小，使得环境气体可以充分、快速地流动与交换，确保了检测的精度与反应速度。

附图说明

图1是本产品的立体示意图。

图2是图1的侧视图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是第二个实施例的立体示意图。

图5是第二个实施例中网状筒6的立体示意图。

图6是第二个实施例的组装示意图。

图7是第三个实施例的仰视图。

图8是图7的侧视图。

图9是图8的B-B剖视图。

图10是第四个实施例的仰视图。

图11是图10的侧视图。

图12是图11的立体示意图。

图中的序号为：准直器1、槽口2、耦合固定筒3、散热条4、定位孔5、网状筒6、浅槽7、抗形变条8。

具体的实施方式

现结合附图详细说明本发明的结构特点。

实施例1

参见图1，光耦合模块，其杆身呈圆柱管状；在光耦合模块的顶部沿长轴方向开有槽口2，详见图2；槽口2的长度L2在10-1600mm之间；槽口2的两条长边之间的夹角α在160°～210°之间，详见图3；光耦合模块的两端即为固定准直器1的耦合固定筒3，耦合固定筒3上均开有贯穿的定位孔5。优选的方案是在耦合固定筒3竖直方向和水平方向各开一对定位孔5，并配以调节螺母，对准直器1进行微调与定位。

实施例2

参见图4，光耦合模块，其杆身呈圆柱管状；在光耦合模块的顶部沿长轴方向开有槽口2，详见图2；槽口2的长度L2在10-80mm之间；槽口2的两条长边之间的夹角α在190°～210°之间，详见图3；光耦合模块的两端即为固定准直器的耦合固定筒3，耦合固定筒3上均开有贯穿的定位孔5。参见图5，在耦合固定筒3内均设有网状筒6。参见图6，将管壁上套有网状筒6的准直器1分别插在耦合固定筒3中，将两侧的准直器1调校耦合后，再从定位孔5滴胶水，胶水在准直器1、网状筒6及耦合固定筒3之间的虹吸作用下，均匀地散布至准直器1与耦合固定筒3之间的缝隙中。当胶水处于收缩定型的过程中，网状筒6起到限制收缩和均匀受力的作用。

本实施例所述的结构具有体积小和气体置换效率极高的特点，经井下实地测试（50个样品，连续6个月井下环境监测），不但能够适应井下的高温、高湿与高粉尘恶劣环境，具有良好的抗形变性与抗温度影响性，且导气能力（气体置换效率）是现有块体结构和需要块体支撑结构的42～47倍。

实施例3

参见图7，光耦合模块，其杆身呈圆柱管状；在光耦合模块的顶部沿长轴方向开有槽口2，详见图2；槽口2的长度L2在10-1600mm之间；槽口2的两条长边之间的夹角α在160°～210°之间，详见图9；光耦合模块的两端即为固定准直器的耦合固定筒3，耦合固定筒3上均开有贯穿的定位孔5。参见图8，在光耦合模块杆体的底部沿长轴方向开有浅槽7，浅槽7的底面为弧面；在浅槽7内配有抗形变条8，详见图9。

实施例4

参见图10和图12，光耦合模块，其杆身呈圆柱管状；在光耦合模块的顶部沿长轴方向开有槽口2；槽口2的长度L2在10-1600mm之间；槽口2的两条长边之间的夹角α在160°～210°之间；光耦合模块的两端即为固定准直器的耦合固定筒3，耦合固定筒3上均开有贯穿的定位孔5。

参见图10，在光耦合模块杆体1的底部沿长轴方向开有浅槽7，浅槽7的底面为弧面；在浅槽7内配有抗形变条8。在浅槽7两侧的光耦合模块表面上分别镀有两条散热条4，详见图11；

进一步地说，光耦合模块杆体的长度L1在130-1700mm之间，光耦合模块杆体的内径在4.0～7.0mm之间，壁厚在0.6～2.0mm之间；

进一步地说，光耦合模块的材料为1Cr18Ni9的不锈钢；抗形变条8的材料为1Cr18Ni9的不锈钢；散热条4的材料为1Cr18Ni9的不锈钢。

实施例5

参见图11，光耦合模块，其杆身呈圆柱管状；在光耦合模块的顶部沿长轴方向开有槽口2；槽口2的两条长边之间的夹角α在160°～210°之间；光耦合模块的两端即为固定准直器的耦合固定筒3，耦合固定筒3上均开有贯穿的定位孔5；在耦合固定筒3内均套有网状筒6；在光耦合模块杆体的底部沿长轴方向开有浅槽7，浅槽7的底面为弧面；在浅槽7内配有抗形变条8；在浅槽7两侧的光耦合模块表面上分别镀有两条散热条4；光耦合模块的材料是型号为1Cr18Ni9的不锈钢；抗形变条8的材料是型号为1Cr18Ni9的不锈钢或；散热条4的材料是型号为1Cr18Ni9的不锈钢、2A11的硬铝、2A12的硬铝或2A13的硬铝；线槽7的长度L3大于槽口2的长度L2，唯有这样在超长尺寸下（L1的长度大于1米），才有良好的抗变形性。

槽口2的长度L2在1200-1500mm之间；光耦合模块杆体的长度L1在1260-1560之间，光耦合模块杆体的内径在4.0～5.0mm之间，壁厚在1.6～2.0mm之间；散热条4的表面磁控溅射有一层0.020～0.050mm的铝合金层。优选的方案是：铝合金层的抗拉强度在300～400MPa。

本实施例所述的结构具有超长的“激光—气体”反应路径（超过1m），由于采用了复合的材料与机械结构，经井下实地测试（50个样品，连续6个月井下环境监测），能够适应井下的高温、高湿与高粉尘恶劣环境，具有良好的抗形变性与抗温度影响性，且导气能力（气体置换效率）是现有块体结构和需要块体支撑结构的10到12倍。此外，本产品无需复杂的光学平台进行调试，拆换便捷。

Claims (8)

1.光耦合模块，其特征在于：光耦合模块的杆体呈圆柱管状；在光耦合模块的顶部沿长轴方向开有槽口（2）；槽口（2）的长度L2在10-1600mm之间；槽口（2）的两条长边之间的夹角α在160°～210°之间；光耦合模块的两端即为固定准直器的耦合固定筒（3），耦合固定筒（3）上均开有贯穿的定位孔（5）。

2.如权利要求1所述的光耦合模块，其特征在于：光耦合模块杆体的长度L1在30-1700之间，光耦合模块杆体的内径在4.0～7.0mm之间，壁厚在0.6～2.0mm之间。

3.如权利要求1所述的光耦合模块，其特征在于：在耦合固定筒（3）内均套有网状筒（6）。

4.如权利要求1、2或3所述的光耦合模块，其特征在于：在光耦合模块杆体的底部沿长轴方向开有浅槽（7），浅槽（7）的底面为弧面；在浅槽（7）内配有抗形变条（8）。

5.如权利要求4所述的光耦合模块，其特征在于：在浅槽（7）两侧的光耦合模块表面各镀有两条散热条（4）。

6.如权利要求1所述的光耦合模块，其特征在于：光耦合模块的材料为1Cr18Ni9的不锈钢；抗形变条（8）的材料为1Cr18Ni9的不锈钢；散热条（4）的材料为1Cr18Ni9的不锈钢。

7.如权利要求1所述的光耦合模块，其特征在于：槽口（2）的长度L3在1200-1500mm之间；光耦合模块杆体的长度L1在1260-1560mm之间，光耦合模块杆体的内径在4.0～5.0mm之间，壁厚在1.6～2.0mm之间；散热条（4）的表面磁控溅射有一层0.020～0.050mm的铝合金层。

8.如权利要求7所述的光耦合模块，其特征在于：铝合金层的抗拉强度在300～400MPa。