CN104949770A - 一种tdlas气体测温检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学检测领域，具体涉及一种TDLAS气体测温检测装置，其包括电源、激光器、激光驱动器、激光信号发生器、激光信号调试器、单模光纤、激光合束器、光纤准直器、平凸透镜、积分球、光电探测器及光电转换器，本发明采用半导体可调谐红外激光器作为燃烧气体检测光源，能量较高，传播光信号稳定，散失能量小，在燃烧场后端在利用平凸透镜聚焦进入积分球探测器中，聚焦效果较好，信号较强，经光电信号变换，利用计算机相关检测软件对信号进行提取计算在转换成相关温度数据。测量结果精确度高，操作简便，适用于检测小型工业生产的火焰场，对测量燃烧场提供温度数据支持。

Description

一种TDLAS气体测温检测装置

技术领域

本发明属于光学检测领域，具体涉及一种TDLAS气体测温检测装置。

背景技术

随着科学的发展，社会的进步，社会生产过程中产品检测技术不断提高，由原来的机械性质的检测手段逐步推进到光电技术的检测手段，其中气体检测为当下最为热门及具有社会市场的检测手段，对气体燃烧中的温度及含量进行实时监控测量，主要应用与工业生产，工程化设备的温度检测，如钢铁厂、锅炉场等。原有的机械测量温度设备指标较低，精确度低，测量范围小，基本不能满足工业化的高温作业要求。对于光电检测技术，激光检测精度高，误差小，系统搭建简易，操作简便，基本满足工业生产检测需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种TDLAS气体测温检测装置。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种TDLAS气体测温检测装置，所述测温检测装置以燃烧气体场7为中心划分为两部分；位于燃烧气体场7一侧的为光源发射端，位于燃烧气体场7另一侧的为光源接收端；

所述光源发射端包括：电源、第一激光器2a、第二激光器2b、激光信号调试器3、激光信号发生器4、单模光纤12、激光合束器5、光纤准直器6；其中，所述第一激光器2a自带有第一激光驱动器，所述第二激光器2b自带有第二激光驱动器；所述光源接收端包括：平凸透镜8、积分球10、第一光电探测器、第二光电探测器、第一光电转换器9a、第二光电转换器9b、光电变换器信号转换线11；

所述第一激光器2a、第二激光器2b、激光信号发生器4、激光信号调试器3的电源线接口相互连接并统一连接至电源的供电接口电源线1；所述激光信号发生器4分别连接第一激光驱动器、第二激光驱动器以及激光信号调试器3；所述单模光纤12分别连接第一激光器2a输出端口、第二激光器2b输出端口以及激光合束器5输入端口；所述激光合束器5输入端口分别连接第一激光器2a及第二激光器2b各自传输的单模光纤12；所述光纤准直器6连接在激光合束器5后端输出端；

所述平凸透镜8位于燃烧气体场中相对于光源发射端的另一侧，位于光源接收端的前端，且处于所述光纤准直器6的出射路径上，平凸透镜8中心位置与光纤准直器6中心位置共轴；所述积分球10位于平凸透镜8后端，且平凸透镜8焦距位置在积分球10入光孔径中；积分球10内部有一进光口及两路出光口，根据所述第一激光器2a及第二激光器2b的激光波长不同进行滤光片分光，使得由一束光经积分球10滤光片进行分光，分出各自频率光有出光口各自打出；在积分球10两个出光口处各自设置有光电探测器，分为第一光电探测器及第二光电探测器，第一光电探测器连接第一光电转换器9a，第二光电探测器连接第二光电转换器9b；且第一光电转换器9a响应波段与第一激光器2a工作波段相匹配，第二光电转换器9b响应波段与第二激光器2b工作波段相匹配，第一光电转换器9a和第二光电转换器9b后端通过光电变换器信号转换线11连接计算机；其中，所述光纤准直器6发出的激光束、平凸透镜8、积分球10入光口径三者在同一光轴各自中心对称。

(三)有益效果

与现有技术相比较，本发明提出一种TDLAS气体测温检测装置，采用高能半导体可协调激光器作为工作光源，利用光学透镜吸收聚焦的方法，检测待测燃烧气体的温度，测量结果精确度高，系统搭建简易，操作简便。

本发明的有益效果：采用高能半导体可协调激光器作为工作光源，激光器在特定波动可变频探测，探测范围精确较宽，光束聚集性较好。测量结果精确度高，散失能量较小，系统搭建简易，操作简便。适用于工业生产检测。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1-电源线、2a-第一激光器(自带第一激光驱动器)、2b-第二激光器(自带第二激光驱动器)、3-激光信号调试器、4-激光信号发生器、5-激光合束器、6-光纤准直器、7-燃烧气体场、8-平凸透镜、9a-第一光电转换器、9b-第二光电转换器、10-积分球、11-光电变换器信号转换线、12-单模光纤。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为解决现有技术的问题，本发明提供一种TDLAS气体测温检测装置，如图1所示，所述测温检测装置以燃烧气体场7为中心划分为两部分；位于燃烧气体场7一侧的为光源发射端，位于燃烧气体场7另一侧的为光源接收端；

所述光源发射端包括：电源、第一激光器2a、第二激光器2b、激光信号调试器3、激光信号发生器4、单模光纤12、激光合束器5、光纤准直器6；其中，所述第一激光器2a自带有第一激光驱动器，所述第二激光器2b自带有第二激光驱动器；所述光源接收端包括：平凸透镜8、积分球10、第一光电探测器、第二光电探测器、第一光电转换器9a、第二光电转换器9b、光电变换器信号转换线11；

所述第一激光器2a、第二激光器2b、激光信号发生器4、激光信号调试器3的电源线接口相互连接并统一连接至电源的供电接口电源线1；所述激光信号发生器4分别连接第一激光驱动器、第二激光驱动器以及激光信号调试器3；所述单模光纤12分别连接第一激光器2a输出端口、第二激光器2b输出端口以及激光合束器5输入端口；所述激光合束器5输入端口分别连接第一激光器2a及第二激光器2b各自传输的单模光纤12；所述光纤准直器6连接在激光合束器5后端输出端；

所述平凸透镜8位于燃烧气体场中相对于光源发射端的另一侧，位于光源接收端的前端，且处于所述光纤准直器6的出射路径上，平凸透镜8中心位置与光纤准直器6中心位置共轴；所述积分球10位于平凸透镜8后端，且平凸透镜8焦距位置在积分球10入光孔径中；积分球10内部有一进光口及两路出光口，根据所述第一激光器2a及第二激光器2b的激光波长不同进行滤光片分光，使得由一束光经积分球10滤光片进行分光，分出各自频率光有出光口各自打出；在积分球10两个出光口处各自设置有光电探测器，分为第一光电探测器及第二光电探测器，第一光电探测器连接第一光电转换器9a，第二光电探测器连接第二光电转换器9b；且第一光电转换器9a响应波段与第一激光器2a工作波段相匹配，第二光电转换器9b响应波段与第二激光器2b工作波段相匹配，第一光电转换器9a和第二光电转换器9b后端通过光电变换器信号转换线11连接计算机；其中，所述光纤准直器6发出的激光束、平凸透镜8、积分球10入光口径三者在同一光轴各自中心对称。

工作过程中，电源为整体检测设备提供电压，在供电的基础上打开激光器(含启动器)、激光信号调试器及激光信号发生器，其中信号发生器设定给出在相对检测气体频率基准值，并对信号调试器中在基准值附近频率及待测气体重点采集的波长范围并加载锯齿波信号进行调试。调试后的激光束发出的光信号与调试时一致。激光在光纤介质传输后在光纤出光口进行光线的准直后光束穿过燃烧场经平凸透镜折射聚焦到积分球中在积分球出口射出打在相应的光电变换器中，在计算机中转换成电信号进行数据采集处理计算出气体实时温度数据。

其中，此检测装系统加载于被检测气体的左右两端，左端为发射部分，右端为接收部分。两部分共同组成整体一套气体实时检测温度系统。

其中，在激光器的选取中，根据所待检测燃烧场气体的波长谱线范围来确定激光器的工作主要工作波段，其中选取的激光器在主要工作波段要与检测气体波段一致，波长浮动范围略高于涵盖待测波段，目的是在信号调谐波长中更能扩大找到待测波长浮动的确定范围值。

其中，激光器选取为两种待测气体吸收波长的激光器，目的对两路激光信号进行比对计算确定温度。

其中，在激光的传输过程中，应用单模光纤，且光纤传输与激光器匹配，单模光纤传输距离远，信号传输稳定，衰减略低，符合工程化所需。

其中，两路激光器传输的光纤经合束器，结合成一束两种波长模式的激光。

其中，光纤出射端口连接激光准直器，目的在于激光束射出为平行光。

其中，右端接收系统的平凸透镜焦距在积分球入光孔径中，目的是确保所有激光束经聚焦后全部进入积分球。

其中，积分球内部有一进光口及两路出光口，根据两激光器波长不同进行滤光片分光，使得由一束光经积分球滤光片进行分光，分出各自频率光有出光口各自打出。

其中，在积分球出光口安放光电转换器，且转换器响应波段符合激光器主要工作波段，探测器后端转换线连接计算机，并实时在计算机中传输转换电信号图像。

其中，整体检测系统各器件空间位置调节完成后固定锁定，发出的激光束、平凸透镜、积分球入光口径三者在同一光轴各自中心对称。目的保障光路系统稳定光信号不失真。

此外，根据所述气体测温检测装置来实施的气体测温检测方法包括如下步骤：

步骤S1：将第一光电转换器9a及第二光电转换器9b后端的光电变换器信号转换线11连接计算机；

步骤S2：电源供电后，所述第一激光器2a、第二激光器2b、激光信号发生器4、激光信号调试器3开启；

步骤S3：激光信号发生器4根据激光器固有的波长、频率属性参数，匹配设定相对检测气体的激光频率基准值，生成初始激光信号发生指令，至第一激光驱动器及第二激光驱动器来驱动第一激光器2a及第二激光器2b生成初始激光束；

步骤S4：激光信号调试器3对基准值附近的激光频率及待测气体需重点采集的激光波长范围进行加载锯齿波信号的调试，使得调试后的激光束发出的光信号与调试时一致；然后生成修正信号至激光信号发生器4；所述激光信号发生器4根据修正信号生成修正后激光信号发生指令，至第一激光驱动器及第二激光驱动器来驱动第一激光器2a及第二激光器2b生成频率、波长修正后的激光束；此时第一激光器2a及第二激光器2b开始发出所需要波长的激光；

步骤S5：单模光纤12将所述第一激光器2a及第二激光器2b输出的激光传输至激光合束器5；

步骤S6：激光合束器5将两路单模光纤12传输来的激光经前端合束并在后端结合成一束两种波长模式的激光束；

步骤S7：光纤准直器6通过准直透镜将发出微小形变的激光束进行折射校正，在光纤准直器6后端发出准直后平行激光束；

步骤S8：平行激光束在经过燃烧气体场7后进入平凸透镜8中，准直平行后的宽光束束在通过燃烧气体场7后光束出现微小偏折，经平凸透镜8折射聚光后使激光束重新汇聚至积分球10中；

步骤S9：积分球10分开合束后的两束各自不同波长的激光束；

步骤S10：经积分球10分开的各自不同波长频率的两路激光束聚焦到的光点进入到第一光电探测器及第二光电探测器的入光敏元孔中，经过第一光电探测器、第二光电探测器及其后端的第一光电转换器9a、第二光电转换器9b各自进行光电变换，把光信号转变为电信号输出，在后端计算机中进行数据采集处理计算出气体实时温度数据；

步骤S11：根据计算机测温处理软件，提取两路电信号锯齿波形吸收峰区域面积，进行比对处理运算，得到燃烧场待测温度值；

步骤S12：多次测量取待测气体燃烧的平均值，以减少误差，提高精度。

下面结合具体实施例来详细描述本发明。

实施例

如图1所示，本发明提供一种TDLAS气体测温检测装置，由电源、激光器、激光驱动器、激光信号发生器、激光信号调试器、单模光纤、激光合束器、光纤准直器、平凸透镜、积分球及光电探测器相关连接组成。激光器、激光驱动器、激光信号发生器、激光信号调制器相互正确连接且并与电源线连接，单模光纤与两激光器各自连接，激光合束器连接到两单模光纤中使两路激光合成一路激光束。合成的一路光纤激光束与光纤准直器连接，并锁定固定光纤准直器发射端，在燃烧场(空间)后放置平凸透镜，透镜中心位置与光纤准直器中心位置一致(共轴)并固定，积分球中进光口位置放置在平凸透镜后端且安置在其平凸透镜焦距位置且进光口径中心位置与透镜中心位置与光纤准直器中心位置三者一致(共轴)，并固定积分球。积分球两出光口与两个光电探测器的光敏元部分相连接固定，光电变换器中的两个数据信号转换线与计算机设备连接，整体监测系统装置安装完成。

所述电源，激光器，激光驱动器，激光信号发生器，激光信号调试器，单模光纤，光线合束器、光纤准直器，平凸透镜，积分球及光电探测器为市售的元件。

其中，激光器为较功率半导体可协调激光器，能量较高，在检测中有效传过燃烧待测区域，对后端的光束接收装置提供了较高能量信号的汇聚接收，且平凸透镜及积分球和光电变换器工作相应范围相匹配，有利于计算机信号处理。

此外，基于上述检测装置的TDLAS气体测温检测方法可以按照以下步骤进行操作：

第一步：完成各个器件的组装和固定；

第二步：开启电源，并调节激光信号发生器和激光信号调试器的工作波长后激光器在激光驱动器的作用下发出特定波长激光。

第三步：激光穿过燃烧区域后调节透镜位置将光束穿过其中心位置。

第四步：调节积分球位置使得积分球入光口径中心点在平凸透镜焦点处。

第五步：光电变换器数据线连接计算机并实时观测处理电信号。

第六步：根据计算机测温处理软件，提取两路电信号锯齿波形吸收峰区域面积，进行比对，经软件处理运算，得到燃烧场待测温度值。

第七步：多次测量取待测气体燃烧的平均值，减少误差，提高精度。

本发明采用激光器为较功率半导体可协调激光器用为检测光源，光束聚集，散失能量小，更好的采集燃烧场中的光信号，光电变换器响应度灵敏符合该气体波段工作需要。整体气体测温系统搭建简易，精准度较高，器件维护周期长，便于工程现场测试检测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种TDLAS气体测温检测装置，其特征在于，所述测温检测装置以燃烧气体场(7)为中心划分为两部分；位于燃烧气体场(7)一侧的为光源发射端，位于燃烧气体场(7)另一侧的为光源接收端；

所述光源发射端包括：电源、第一激光器(2a)、第二激光器(2b)、激光信号调试器(3)、激光信号发生器(4)、单模光纤(12)、激光合束器(5)、光纤准直器(6)；其中，所述第一激光器(2a)自带有第一激光驱动器，所述第二激光器(2b)自带有第二激光驱动器；所述光源接收端包括：平凸透镜(8)、积分球(10)、第一光电探测器、第二光电探测器、第一光电转换器(9a)、第二光电转换器(9b)、光电变换器信号转换线(11)；

所述第一激光器(2a)、第二激光器(2b)、激光信号发生器(4)、激光信号调试器(3)的电源线接口相互连接并统一连接至电源的供电接口电源线(1)；所述激光信号发生器(4)分别连接第一激光驱动器、第二激光驱动器以及激光信号调试器(3)；所述单模光纤(12)分别连接第一激光器(2a)输出端口、第二激光器(2b)输出端口以及激光合束器(5)输入端口；所述激光合束器(5)输入端口分别连接第一激光器(2a)及第二激光器(2b)各自传输的单模光纤(12)；所述光纤准直器(6)连接在激光合束器(5)后端输出端；

所述平凸透镜(8)位于燃烧气体场中相对于光源发射端的另一侧，位于光源接收端的前端，且处于所述光纤准直器(6)的出射路径上，平凸透镜(8)中心位置与光纤准直器(6)中心位置共轴；所述积分球(10)位于平凸透镜(8)后端，且平凸透镜(8)焦距位置在积分球(10)入光孔径中；积分球(10)内部有一进光口及两路出光口，根据所述第一激光器(2a)及第二激光器(2b)的激光波长不同进行滤光片分光，使得由一束光经积分球(10)滤光片进行分光，分出各自频率光有出光口各自打出；在积分球(10)两个出光口处各自设置有光电探测器，分为第一光电探测器及第二光电探测器，第一光电探测器连接第一光电转换器(9a)，第二光电探测器连接第二光电转换器(9b)；且第一光电转换器(9a)响应波段与第一激光器(2a)工作波段相匹配，第二光电转换器(9b)响应波段与第二激光器(2b)工作波段相匹配，第一光电转换器(9a)和第二光电转换器(9b)后端通过光电变换器信号转换线(11)连接计算机；其中，所述光纤准直器(6)发出的激光束、平凸透镜(8)、积分球(10)入光口径三者在同一光轴各自中心对称。