CN105424649B - 一种气室结构、气体检测箱及气体检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气室结构，适于安装在气体检测箱中，包括：基座；设置于基座上的光学发射端和光学接收端；以及设置于基座上的样气室，其侧壁上设有通气口，所述样气室在靠近光学发射端的一端设有第一凹面反射镜，远离光学发射端的另一端设有第二凹面反射镜。在第一凹面反射镜上设有光孔，供光学发射端发出光束入射样气室以及供经过第一凹面反射镜和第二凹面反射镜多次反射后的光束返回光学接收端。其中，光学发射端包括同轴封装激光器和独立温度控制系统。同轴封装激光器适于向样气室发射光线；独立温度控制系统适于自动调节同轴封装激光器的温度。本发明还提供一种气体检测箱及气体检测系统。

Description

一种气室结构、气体检测箱及气体检测系统

技术领域

本发明涉及气体分析设备领域，尤其涉及一种气室结构。

背景技术

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术利用二极管激光器波长调谐特性，获得被测气体的特征吸收光谱范围内的吸收光谱，从而对污染气体进行定性或者定量分析，这种方法不仅精度较高，选择性强而且响应速度快，已经被用于大气痕量气体监测以及工业控制。在对空气中的痕量气体进行检测中，由于被测气体的含量多为ppm(Part permillion)级别，通常使用多次反射样气室来增加吸收光程，以提高激光气体分析仪的检测灵敏度。

常见的多次反射样气室由两个凹面反射镜组成，光学发射端发出的激光光束通过近端凹面反射镜上的开孔，以特定的角度射入样气室，然后打到远端凹面反射镜上，进而在两个凹面反射镜中进行多反射，并最终由近端凹面反射镜的开孔处射出，从而完成检测。此过程中需要实现对光路的精确控制，这就对气室机械结构的加工精度和安装要求提出了非常严格的要求。

另外，光学发射端中常见的蝶型封装激光器，其封装成本高居不下,极大了限制了光电通信的发展。

为此，需要提供一种便于封装，又能对光路进行精确调节的气室结构。

发明内容

为此，本发明提供一种新的方案以力图解决或者至少缓解上面存在的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种气室结构，适于安装在气体检测箱中，该气室机构包括基座以及设置于基座上的光学发射端、光学接收端和样气室。

样气室的侧壁上设有通气口，在靠近光学发射端的一端设有第一凹面反射镜，远离光学发射端的另一端设有第二凹面反射镜。其中，第一凹面反射镜上设有光孔，供光学发射端发出光束入射样气室以及供经过第一凹面反射镜和第二凹面反射镜多次反射后的光束返回光学接收端。

光学发射端包括同轴封装激光器和独立温度控制系统。其中，同轴封装激光器适于向样气室发射光束，独立温度控制系统适于自动调节同轴封装激光器的温度。

可选地，在根据本发明的气室结构中，独立温度控制系统包括控制电路以及依次轴向连接的温度传感器、半导体致冷器和散热片。其中，温度传感器连接于同轴封装激光器的一侧，适于测量所述同轴封装激光器的温度。半导体致冷器的一侧连接于同轴封装激光器的另一侧，适于对所述同轴封装激光器致冷或加热。

散热片连接于所述半导体致冷器的另一侧，适于为所述半导体致冷器散热。控制电路适于根据所述温度传感器的温度参数向所述半导体致冷器发送致冷指令或加热指令。

可选地，在根据本发明的气室结构，光学发射端还包括固定于基座上的发射端可调安装座，适于调节光学发射端相对于所述光孔的位置和角度。光学接收端包括固定于基座上的接收端可调安装座，适于调节光学接收端相对于所述光孔的位置和角度。

可选地，在根据本发明的气室结构，光学发射端的控制电路适于当温度参数高于第一阈值时发出致冷指令，以及当温度参数低于第二阈值时发出加热指令。

可选地，在根据本发明的气室结构，独立温度控制系统还包括适于作为导热媒介的激光器压板和激光器导热片。其中，激光器压板设于同轴封装激光器和温度传感器之间；激光器导热片设于同轴封装激光器和半导体致冷器之间。

可选地，在根据本发明的气室结构，独立温度控制系统进一步包括具有空腔的固定部件，其底部设有环形底片，散热片设置于空腔中并与环形底片紧密接触。

可选地，在根据本发明的气室结构，独立温度控制系统进一步还包括中空的激光器焊接电路板，其一侧连接半导体致冷器，另一侧连接所述固定部件的环形底片，径向方向设有通槽。

可选地，在根据本发明的气室结构，独立温度控制系统还包括固定温度传感器的温度传感器焊接电路板。

根据本发明的又一个方面，提供一种气体检测箱，包括根据本发明的气室结构。

根据本发明的又一个方面，提供一种气体检测系统，包括根据本发明的气体检测箱。

根据本发明的气室结构，采用低成本高速的同轴封装激光器，并设计了独立温度控制系统，有效的保证了激光器工作的稳定性及发光波长的准确性。进一步，通过接收端可调安装座和发射端可调安装座上的设置，实现了对发射端发射光线和接收端接收光线的独立调节，以便对光线的入射和出射更加准确。进一步，通过调节装置对第二凹面反射镜进行微调，极大提高了对气室结构中凹面反射镜调节的方便性。

附图说明

为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。

图1示出了根据本发明一个实施例的气室结构的示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的激光发生器1的示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例的激光发生器1的拆解示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例的激光器组件的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1示出了根据本发明一个实施例的气室结构的示意图，根据本发明的应用在气体检测箱(未示出)中的气室结构包括光学发射端、光学接收端、样气室5和基座6。

样气室的内部在靠近光学发射端的一端设有凹面反射镜5a，远离光学发射端的另一端设有凹面反射镜5b。进一步地，在凹面反射镜5a上设有光孔，供光学发射端发出光束入射样气室以及供经过凹面反射镜5a和凹面反射镜5b多次反射后的光束返回光学接收端。为了便于待检测的气体充满两个凹面反射镜间的空腔，样气室上还可以设置一个或多个开口。另外，样气室的侧壁上通常设有通气口(图中未示出)，且该样气室的结构可根据具体需要进行多种变形与调整，如棱柱状外形或圆筒形，而这些多种变形应属于本发明的保护范围。

光学发射端包括激光发生器1，该激光发生器包括同轴封装激光器和独立温度控制系统，其中同轴封装激光器适于向样气室发射光束，而独立温度控制系统适于自动调节同轴封装激光器的温度。光学接收端包括激光接收器3，适于接收样气室发射来的光束。

根据本发明的一个实施例中，光学发射端还包括发射端可调安装座2，适于调节光学发射端相对于该光孔的位置和角度。进一步地，光学接收端还包括接收端可调安装座4，适于调节光学接收端相对于该光孔的位置和角度。可以理解，可调安装座可以有多种方式固定在基座上，如平行固定或垂直固定。平行固定时激光发生器和激光接收器分别固定在对应可调安装座的正上方。垂直固定时，激光发生器和激光接收器分别固定可调安装座面向样气室的一面上。这样，本发明实现了精准调节发射光和接收光的角度和位置，方便了实际操作的光线调节，节省了气体测量时间。

根据本发明的另一个实施方式，在凹面反射镜5b的非反射镜面上还可以设置轴向的调节装置5c，可以是任意形式，如调节杆、调节滑块等，相应的样气室设置有供该调节杆装置通过的调节孔。这样可以轻松调节第一凹面反射镜和第二凹面反射镜之间的距离。

根据本发明的气室机构，光学发射端包括激光发生器1，图2示出了根据本发明一个实施例的激光发生器1的示意图，图3示出了根据本发明一个实施例的激光发生器1的拆解示意图。如图3所示，激光发生器1包括激光器组件和散热片1h。其中激光器组件的具体结构如图4所示，主要包括控制电路(图中未示出)，以及依次轴向连接的温度传感器1a、同轴封装激光器1c和半导体致冷器1e。具体地，温度传感器1a连接于同轴封装激光器的一侧，适于测量该同轴封装激光器的温度。半导体致冷器1e的一侧连接于同轴封装激光器的另一侧，适于对同轴封装激光器致冷或加热。控制电路适于根据温度传感器的温度参数向半导体致冷器发送致冷指令或加热指令。另外，半导体致冷器的另一侧连接散热片1h，该散热片适于为半导体致冷器散热。

结合图3和图4，需要强调的是，本发明的激光发生器采用同轴封装激光器，并设置了独立温度控制系统；其中，独立温度控制系统主要包括控制电路、温度传感器1a、半导体致冷器1e和散热片1h。

根据本发明的一个实施方式，温度传感器1a适于监测同轴封装激光器的温度，控制电路适于当温度参数高于第一阈值时向半导体致冷器发出致冷指令，此时半导体致冷器接近同轴封装激光器的一侧致冷，同时与散热片接触的另一面发热，而散热片将其散发的热量传导出去。而当温度参数低于第二阈值时，控制电路向半导体致冷器发出加热指令，此时半导体致冷器接近同轴封装激光器的一侧发热，同时与散热片接触的另一面致冷。

进一步地，根据本发明的气室结构，该独立温度控制系统还可以包括适于作为导热媒介的激光器压板1b和激光器导热片1d。具体地，激光器压板可以设于温度传感器和同轴封装激光器之间；激光器导热片可以设于同轴封装激光器和半导体致冷器之间。

根据本发明的又一个实施方式，该独立温度控制系统还可以包括具有空腔的固定部件1g(如图3所示)，其底部设有环形底片。进一步地，散热片1h设置于空腔中，并与环形底片紧密接触。可以理解，固定部件主要作为固定及导热结构，可以与散热片进行多种接触方式，如设置散热片与固定部件的外周紧密接触。

根据本发明的又一个实施方式，该独立温度控制系统还可以包括中空的激光器焊接电路板1f。具体地，该激光器焊接电路板的一侧连接于半导体致冷器1e，另一侧连接于上述固定部件1g的环形底片，径向方向可以设置通槽。

进一步地，在根据本发明的气室结构，该独立温度控制系统还可以包括固定温度传感器的温度传感器焊接电路板。该温度传感器可以是多种形式，如热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器等。

可以理解的是，根据本发明的各个器件之间可以有多种连接方式，可以是螺纹固定，也可以是焊接固定，这些应该都是基于发明的保护范围。

由上可知，根据本发明的气室结构采用同轴封装激光器，并设置了独立温度控制系统，保证同轴封装激光器的稳定稳定性，以提供准确的激光波长。另外还可单独精准的调节发射光和接收光的角度和位置，实现了同轴封装激光器在多次反射样气室的应用。

本发明还提供一种包括上述气室结构的气体检测箱，以及包括该气体检测箱的气体检测系统。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种气室结构，适于安装在气体检测箱中，包括：

基座；

设置于基座上的光学发射端和光学接收端；

设置于基座上的样气室，其侧壁上设有通气口，所述样气室在靠近光学发射端的一端设有第一凹面反射镜，远离光学发射端的另一端设有第二凹面反射镜，所述第一凹面反射镜上设有光孔，供光学发射端发出光束入射样气室以及供经过第一凹面反射镜和第二凹面反射镜多次反射后的光束返回光学接收端，所述第二凹面反射镜的非反射镜面上设置有轴向的调节装置，适于调节第一凹面反射镜和第二凹面反射镜之间的距离；

所述光学发射端包括固定于基座上的发射端可调安装座，适于调节光学发射端相对于所述光孔的位置和角度；所述光学接收端包括固定于基座上的接收端可调安装座，适于调节光学接收端相对于所述光孔的位置和角度；

所述光学发射端还包括同轴封装激光器和独立温度控制系统；所述同轴封装激光器适于向样气室发射光束；所述独立温度控制系统适于自动调节同轴封装激光器的温度，且所述独立温度控制系统包括控制电路以及依次轴向连接的温度传感器、半导体致冷器和散热片，其中，所述温度传感器连接于同轴封装激光器的一侧，适于测量所述同轴封装激光器的温度；所述半导体致冷器的一侧连接于同轴封装激光器的另一侧，适于对所述同轴封装激光器致冷或加热；所述散热片连接于所述半导体致冷器的另一侧，适于为所述半导体致冷器散热；所述控制电路适于根据所述温度传感器的温度参数向所述半导体致冷器发送致冷指令或加热指令；

所述独立温度控制系统还包括适于作为导热媒介的激光器压板和激光器导热片；所述激光器压板设于所述同轴封装激光器和所述温度传感器之间；所述激光器导热片设于所述同轴封装激光器和所述半导体致冷器之间；

所述独立温度控制系统还包括具有空腔的固定部件，底部设有环形底片，所述散热片设置于空腔中并与环形底片紧密接触；所述独立温度控制系统还包括中空的激光器焊接电路板，其一侧连接半导体致冷器，另一侧连接所述固定部件的环形底片，径向方向设有通槽。

2.如权利要求1所述的气室结构，其中所述光学发射端的控制电路适于当温度参数高于第一阈值时发出致冷指令，以及在温度参数低于第二阈值时发出加热指令。

3.如权利要求1所述的气室结构，其中所述独立温度控制系统还包括固定温度传感器的温度传感器焊接电路板。

4.一种气体检测箱，包括如权利要求1-3中任一个所述的气室结构。

5.一种气体检测系统，包括如权利要求4所述的气体检测箱。