CN105334163A - 一种用于长光程气体样品池装调测试的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于长光程气体样品池装调测试的装置，包括装置平台、激光准直辅助调节模块、光源模块、整束装置和检测模块；激光准直辅助调节模块包括可见光激光器；光源模块包括光源和光源支架，激光器与光源分别通过垂直交汇方式置于光源支架上；光源模块后依次设置用于将直流辐射信号转变成交流辐射信号的斩光器、整束装置及检测模块。本发明采用两次反射转换焦点的方式，为待测样品池放置和装调提供了足够的空间灵活度；利用激光进行光路的准直；整束装置采用大口径及镀高反膜反射镜，提高了光能的利用率。以光源加斩光器的方式取代了传统样品池检测时使用昂贵的干涉仪测试的方式。

Description

一种用于长光程气体样品池装调测试的装置

技术领域

本发明涉及长光程气体样品池的测试，应用于空气污染研究、环境监测、气体纯度分析、工艺过程监测、排放气体分析和石油勘探地质录井过程监测等领域，属于仪器仪表领域，特别是光谱分析仪器技术领域。

背景技术

在长光程气体样品池的装调与测试中，需要不间断的监测出射光信号与入射光信号的强度比值，以评估长光程样品池的光学性能。

传统的测试方式是以光谱仪为测试装置，将待测样品池安装在光谱仪的样品室，分析样品池安放前后的光强变化从而对样品池性能做出评估，在装调过程中，其存在一些不足：1)传统的测试方式的信号源由红外光源经过干涉仪得到，而干涉仪价格较高，尤其是红外干涉仪；2)传统的测试装置样品室结构固定，空间狭小，样品池测试需要配套的卡口，且位置固定，装调极为不便；3)传统的测试方式结构紧凑，在做高温测试时易对仪表造成损坏；4)如果在开发样品池的过程中配套一台仅用于装调样品池的光谱仪，则造成资源浪费，开发成本大大增加。5)一个更重要的缺点是，采用光谱仪进行装调时，在调整镜片的角度等参数时，由于光谱仪采集速度慢，光谱仪出来的光强数据与镜片调整之间存在着较大的时间滞后，因此，样品池难以进行快速的装调。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于长光程样品池装调测试的装置，能够为样品池开发提供灵活、成本低廉的测试方式。

本发明的技术方案是：用于长光程气体样品池装调测试的装置，其特征在于它包括装置平台、激光准直辅助调节模块、光源模块、整束装置和检测模块；所述激光准直辅助调节模块包括可见光激光器；所述光源模块包括光源和光源支架，激光器与光源分别通过垂直交汇方式置于光源支架上；光源模块后依次设置用于将直流辐射信号转变成交流辐射信号的斩光器、整束装置及检测模块；所述整束装置包括对置的前整束装置和后整束装置，每个整束装置各自包括可实现光路准直与聚焦的一个镜筒和两片反射镜；所述检测模块包括传感器及信号处理系统。

本发明的光路调节方式采用激光准直辅助调节，从而克服红外光路调节中使用红外观察仪等昂贵的辅助设备的弊端。

本发明的激光器使用可见光，首选半导体激光器，不排除He-Ne激光器等其他功率低于250mw的可见光激光器。

本发明的光源选用红外光源，不排除可见光、紫外光等其他波段信号源。

本发明的光源模块由光源及光源支架组成。红外光源优选硅碳棒材料，不排除氮化硅、EVER-GLO等其他红外光源。可见光源可选择卤素灯、溴钨灯等。紫外光源可选择汞蒸气压灯，不排除金属卤化物灯、氙灯等其他紫外光源。光源支架采用金属材料，首先铝合金，采用十字交叉孔位设计，可以实现光源位置辅助激光器安装。

本发明的光源模块后配备了斩光器，作用是使直流辐射信号变成交流辐射信号，交流信号便于信号处理。

本发明的整束装置包括对置的前整束装置和后整束装置，每个整束装置均包括一个镜筒和两片反射镜，可实现光路准直与聚焦。两片反射镜采用离轴抛物反射镜结构，可以更方便地调整焦点位置。不排除选用昂贵的椭球面反射镜实现光束调整。镜筒采用铝合金材材料，镜筒长度在5cm~10cm之间，优选8cm。镜筒及光出入孔均采用25mm大口径通光孔。

本发明的整束装置与支架间配合能够实现360°自由旋转，以适应不同规格样品池。可以采用两颗紧定螺丝固定装置聚焦装置的方位。

本发明采用无需制冷的DLATGS感光器进行感光，使用起来更方便。当然，本发明不排除使用MCT传感器作为感光元件，实际上，使用MCT，检测效果会更好。对于可见光及紫外光，可采用光电三级管、光电倍增管、光敏二极管等。

本发明检测器输出信号经过放大滤波后，采用嵌入式系统或示波器或计算机系统等进行数据采集处理。与傅立叶变换红外光谱仪不同，本发明不需要根据干涉图的峰高进行光强的定量，只需要计算所检测到的交流信号的幅度即可作为评估样品池光学性能的指标。

本发明的平台采用金属材料，首选铝合金。平台底部装有防滑橡胶垫，优选四个。

本发明提供了一种结构简单，成本低廉，使用更加方便的长光程气体样品池装调测试装置。采用红外光源加斩光器，作为信号源，直接将调制光信号整束后送入测试区，再通过后端整束装置将测试区的光信号收集送到光电检测器探头进行光的检测及信号分析，只需要计算所检测到的交流信号的幅度即可作为评估样品池光学性能的指标，不需要根据干涉图的峰高进行光强的定量，避免了传统光谱仪的采集、输出信号速度慢的缺点，可以实现实时调节。测得的数据在计算机中形成历史曲线，便于分析与预判。装置的精简化、模块化降低了光路的调节难度。测试区的设计能够实现待测样品池的灵活放置与控温。因此，其不仅成本低，而且测试灵活，使用方便，给样品池的开发设计带来方便，目前尚未发现有类似的装置。

本发明的有益效果是：

1.便于装调样品池：样品室空间大，操作的灵活性大大增强；快速响应，在对镜片角度等参数进行调整时，可以实时无滞后的观测调整后的信号输出变化。

2.便于长光程样品池研发过程中的测试评估：其不仅可以用于装调，也可以用于样品池性能的评估。样品池在使用过程中，可能存在性能的下降，利用本装置，可以评估性能下降的程度。

3.自由匹配不同规格的样品池：常见的不同规格的样品池均可在本装置上进行装调。除了红外气体样品池，对于可见光、紫外光的气体样品池，也同样可以在本装置上进行调试，只需更换光源和检测器即可。

4.降低样品池开发成本：本装置结构简单，成本低廉。

本发明装置可广泛应用于空气污染研究、环境监测、气体纯度分析、工艺过程监测、排放气体分析和石油勘探地质录井过程监测等领域。

附图说明

图1是本发明实施例长光程气体样品池测试装置整体结构示意图。

图2是实施例中光源支架结构示意图。

图3是实施例中整束装置结构示意图。

图4是实施例中两个整束装置对置摆放关系示意图。

图5是实施例整束装置中光路及反射镜摆放关系示意图。

图中，1.激光器；2.光源模块；3.斩光器；4.前整束装置；5.后整束装置；6.检测模块；7.防滑橡胶垫；8.支架；9.平台；10.计算机系统；11.光源；12.光源支架；13.镜筒；14-1、14-2、14-3、14-4.反射镜。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细的描述。

实施例：图1是实施例长光程气体样品池测试装置整体结构示意图，其主要它包括装置平台9、激光准直辅助调节模块、光源模块2、整束装置和检测模块6；所述激光准直辅助调节模块包括可见光激光器1；所述光源模块2包括光源11和光源支架12，激光器1与光源11分别通过垂直交汇方式置于光源支架12上；光源模块2后依次设置用于将直流辐射信号变成交流辐射信号斩光器3、整束装置及检测模块6；所述整束装置包括对置的前整束装置4和后整束装置5，每个整束装置各自包括可实现光路准直与聚焦的一个镜筒13和两片反射镜；所述检测模块包括传感器及信号处理系统。

图2是实施例的光源支架示意图，描述了本发明的激光器1和光源11的摆放关系。调试时，激光器1横向插入光源支架12，使用紧定螺钉固定。激光从光源支架12出射，进入装置的后续部分。

实施例首选半导体激光器，当然He-Ne激光器等其他功率低于250mw的可见光激光器也可使用。激光器1的使用避免了常规红外光路调节过程中使用昂贵红外观察仪等方式，使用可见激光更直观、便捷。

实施例光源11选用红外光源，不排除可见光、紫外光等其他波段信号源。红外光源优选硅碳棒材料，不排除氮化硅、EVER-GLO等其他红外光源。可见光源可选择卤素灯、溴钨灯等。紫外光源可选择汞蒸气压灯，不排除金属卤化物灯、氙灯等其他紫外光源。测试时，红外光源11纵向插入光源支架12中，使用紧定螺钉固定光源位置。红外光通过斩光器3，进入装调装置。光源支架12使用铝合金材料，耐高温、散热性能佳。光源支架12通过不锈钢钣金支架与平台9连接，光源支架12采用十字交叉孔位设计，可以实现光源位置辅助激光器安装。

由于长光程样品池常与分析仪如FTIR分析仪配套使用，而在某些领域如烟气在线监测的应用中，长光程样品池作为易耗品，需要经常维护、装调。常规的维护方式是将待检修样品池放在与之配套的分析上进行装调。这种方式装调方式需要占用仪表主体，对于一些嵌入分析系统中的仪表来说，拆装非常不便，因此本实施例中采用光源配合斩光器作为分析信号，大大降低了样品池日常维护的人力、时间及经济成本。

图3是实施例整束装置（单个）的结构示意图，整束装置包括前整束装置4和后整束装置5，每个整束装置包括两个反射镜和一个镜筒13，整套整束装置包括四个反射镜14-1、14-2、14-3、14-4。实施例的反射镜采用离轴抛物镜，反射率>95%可以满足要求，对于非消耗型镜片，日常维护需要擦拭清洁，本实施例选用加保护膜镀铝反射镜。不排除使用镀金等性能更优的反射镜。实施例的镜筒13采用铝合金材材料，镜筒长度在5cm~10cm之间，优选8cm。镜筒及光出入孔均采用25mm大口径通光孔，反射镜与镜筒之间采用紧定螺钉固定。

图4是实施例两个整束装置的对置摆放关系示意图。前整束装置4与后整束装置5分别与支架8采用圆环的方式配合，可以实现360°自由旋转调节，前整束装置4和后整束装置5通过激光辅助对齐，整束装置通过支架8和紧定螺钉固定在平台9上。支架8采用硬质金属铝合金材料。由于待测样品池规格多样，进、出光口高度位置不定，本设计的360°旋转结构可以实现测试点高度±6cm的连续可调变化。

图5是实施例整束装置中光路及反射镜摆放关系示意图，入射光进入前整束装置4，经过反射镜14-2反射至反射镜14-1，由反射镜14-1反射至后整束装置5中的反射镜14-3，由反射镜14-3反射至反射镜14-4后出射。实施例不排除使用椭球反射镜达到类似效果。整束装置有利于测试区空间的灵活调整。为了保证信号强度，如果不采用本发明的整束装置，发散的光信号源需要紧贴待测样品池进光口，检测器同样需要紧靠样品池出光口，这样的配合方式无法实现装调测试过程中加热等辅助装调环境的实施。同时直接放置光源和检测器，在光路调节方面极为不便，如器件固定、找最合理信号位置等。

前整束装置4和后整束装置5之间为测试区，测试时将待测样品池放在测试区，使镜片反射镜14-2出射光进入样品池,样品池出射光经反射镜14-3和14-4出射到检测模块6，经感光器、放大滤波后送到计算机系统10，计算机系统10对采集到的信号进行分析处理。实施例采用无需制冷的DLATGS感光器进行感光，使用起来更方便。当然，不排除使用MCT传感器作为感光元件，实际上，使用MCT，检测效果会更好。对于可见光及紫外光，也可采用光电三级管、光电倍增管、光敏二极管等。

在样品池光路调试过程中，从计算机系统10中可以读到实时信号强度，根据信号强度可以判断光路是否为最佳位置。在样品池测试中，样品池在测试环境下运行一段时间，计算机可以记录下测试时间段的信号强度数据。计算机根据记录下的数据形成的历史曲线，根据历史曲线可以分析出样品池的性能衰减情况，同时可以预判样品池性能变化趋势。

实施例装置平台9采用铝合金材料，下面有四个防滑橡胶垫7。

本实施例装置不仅成本低，而且测试灵活，使用方便，给样品池的开发设计带来极大便利。

Claims (10)

1.一种用于长光程气体样品池装调测试的装置，其特征在于它包括装置平台、激光准直辅助调节模块、光源模块、整束装置和检测模块；所述激光准直辅助调节模块包括可见光激光器；所述光源模块包括光源和光源支架，激光器与光源分别通过垂直交汇方式置于光源支架上；光源模块后依次设置用于将直流辐射信号转变成交流辐射信号的斩光器、整束装置及检测模块；所述整束装置包括对置的前整束装置和后整束装置，每个整束装置各自包括可实现光路准直与聚焦的一个镜筒和两片反射镜；所述检测模块包括传感器及信号处理系统。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述可见光激光器采用半导体激光器或He-Ne激光器。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述光源采用红外光源，可见光、紫外光或其他波段信号源。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于所述红外光源包括硅碳棒材料、氮化硅、EVER-GLO红外光源；可见光源包括卤素灯、溴钨灯；紫外光源包括汞蒸气压灯，金属卤化物灯、氙灯。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述镜筒长度在5cm~10cm之间，镜筒及光出入孔均采用25mm口径通光孔。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述反射镜采用离轴抛物反射镜或椭球面反射镜。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述整束装置通过支架可360°自由旋转调节。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述传感器采用DLATGS传感器、MCT传感器或采用光电三级管、光电倍增管、光敏二极管。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述信号处理系统包括放大滤波，嵌入式系统、示波器或计算机系统。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述平台和光源支架采用铝合金材料制作；平台下设有防滑橡胶垫；光源支架采用十字交叉孔位结构。