CN105510275B - 便携式多气体遥测装置 - Google Patents
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Abstract
一种便携式多气体遥测装置，它由便携式探头与控制箱两部分组成；便携式探头包括壳体，在壳体中部水平方向由左到右依次布置有石英保护窗、第一45°平面反射镜、离轴抛物面反射镜、双曲面副反射镜、带有中央通孔的抛物面主反射镜，滤光片和雪崩光电探测器；在第一45°平面反射镜的上方布置有第二45°平面反射镜和目视光学瞄准镜；雪崩光电探测器的输出信号通过电缆线与控制箱内锁相放大器相连接；在离轴抛物面反射镜下方的壳体中设置有光纤FC/APC接头和与之连接的光纤合束器，与光纤合束器连接的是集成到壳体内部的4台可调谐范围不同的DFB可调谐半导体激光器，DFB可调谐半导体激光器通过电缆线与控制箱中的激光器控制电路相连接。
Description
技术领域
本发明涉及矿产及油气开采储运安全保障中的气体检测技术领域。
背景技术
当前，随着工业的迅猛发展，对各种矿产以及油气资源的需求也日益增加。在矿产及油气资源开采和储运的过程中，难免产生易燃易爆的危险性气体，其中危险气体的主要成分有甲烷、乙烯、乙炔和一氧化碳（CO）。一旦发生燃烧和爆炸，会酿成重大安全事故，造成人员和财产的巨大损失。为降低安全隐患，必须对危险性气体进行实时、现场监测。如今，可调谐半导体激光吸收光谱技术已经被广泛应用于各个相关领域。其在矿产以及油气开采储运行业的危险气体检测中也得到了一定的应用。但是，现有的基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体检测传感器大多以固定地点安装为主，检测范围小，除非投入大量设备进行大范围传感器布点，否则难以实现对较大区域内危险气体的现场检测。目前，已出现基于开放光路的气体遥测设备。这些设备中，有的需要在开放吸收光程的另一端放置角锥棱镜，虽然实现了遥测的目的，但检测方向固定，无法实现大空间范围内检测方向的随意性，且检测方向易受实际检测场合中建筑物及仪器设备位置布局的影响，更无法实现便携可移动的检测目的；有的设备虽然无需角锥棱镜，实现了便携可移动的遥测目的，但其收发光学系统使其光谱响应范围较小、信号光收集效率较低，对于单一仪器设备难以实现高精度的多气体同时监测。所以，当前在矿产及油气开采储运行业中尚缺乏可实现宽光谱响应范围下多种危险气体同时高精度检测的便携式遥测装置，从而不利于可调谐半导体激光吸收光谱技术在工矿及油气储运行业危险气体检测中的应用推广。
发明内容
本发明提供一种便携式多气体遥测装置，它具有大空间范围内检测方向的随意性，收发光学系统使其光谱响应范围大、信号光收集效率高，使用单一仪器设备实现高精度的多种气体同时监测。
本发明采取如下技术手段实现：一种便携式多气体遥测装置，它由便携式探头与控制箱两部分组成；便携式探头包括壳体，在壳体中部水平方向由左到右依次布置有石英保护窗、第一45°平面反射镜、离轴抛物面反射镜、双曲面副反射镜、带有中央通孔的抛物面主反射镜，滤光片和雪崩光电探测器；在第一平面反射镜的上方布置有第二45°平面反射镜和目视光学瞄准镜；雪崩光电探测器的输出信号通过电缆线与控制箱中的锁相放大器相连接；
在离轴抛物面反射镜下方的壳体中设置有光纤FC/APC（圆形光学接头/面呈8度角并作微凸球面研磨抛光，Ferrule Connect/Angle Polished Connector）接头和与之连接的光纤合束器，与光纤合束器连接的是集成到壳体内部的4台可调谐范围不同的DFB（分布式负反馈，Distributed Feedback）可调谐半导体激光器，还有与DFB可调谐半导体激光器电连接的电源开关。
便携式探头内集成有4台蝶形封装的DFB可调谐半导体激光器，实现了激光光源的发射与散射信号光的收集汇聚，同时探头中集成有瞄准光路，方便操作者对目标反射物的选择和瞄准。控制箱实现了对激光光源、探测器的控制以及信号数据的采集、分析和显示功能。
本方案的具体特点还有，抛物面主反射镜的孔径为100mm，近轴曲率半径为282mm；双曲面副反射镜的孔径为14.8mm，面圆锥系数为-2，其近轴曲率半径为51mm。
抛物面主反射镜与双曲面副反射镜相距120mm，远处散射光经抛物面主反射镜与双曲面副反射镜两次反射后汇聚于抛物面主反射镜中心处。
放置滤光片与雪崩光电探测器用于接收汇聚后的散射信号光并将其转换成电信号。
离轴抛物面反射镜孔径14.8mm，在垂直于光轴的方向上与壳体上FC/APC接口的距离为50mm，离轴抛物面反射镜的近轴曲率半径为50mm。离轴抛物面反射镜与双曲面副反射镜相距1mm安装固定。
第一45°平面反射镜和第二45°平面反射镜之间的距离大于50mm且第一45°平面反射镜在垂直于光轴方向上的投影孔径与双曲面副反射镜和离轴抛物面反射镜通光孔径相等，从而避免了目视瞄准光路对散射光信号收集光路的遮挡。
第一45°平面反射镜表面镀有在可见光波段内具有高反射率、在1400nm~1700nm波段内具有高透过率的宽带介质膜；第二45°平面反射镜表面镀有在可见光波段内具有高反射率的宽带介质膜；抛物面主反射镜、双曲面副反射镜以及离轴抛物面反射镜表面镀有在1400nm~1700nm波段内具有高反射率的宽带介质膜。根据已有的实验结果并基于HITRAN数据库，四种危险气体的吸收特征峰分布为：甲烷1654nm，乙烯的为1621nm，乙炔1529nm，一氧化碳1566 nm。 1400nm~1700nm波段可覆盖上述四种危险气体常用的吸收特征峰。
四台DFB可调谐半导体激光器的输出尾纤经合束器合并成一束尾纤，其尾纤末端即为光纤FC/APC接头。DFB可调谐半导体激光器引脚焊接在PCB（印制电路板，PrintedCircuit Board）电路板上并通过电缆线与控制箱中的激光器控制电路连接受其控制。DFB可调谐半导体激光器的调谐范围分别覆盖上述四种气体的吸收特征峰从而保证了整个便携式探头的光源光谱范围包含了四种气体的吸收特征光谱。整个便携式探头长小于200mm，外径小于150mm，外形似“手枪”，DFB可调谐半导体激光器及相应PCB板被固定于探头的“握把”区域内。
控制箱包括电源以及与电源电连接的嵌入式微控制器、锁相放大器、信号发生器、激光器控制电路、数据显示和报警模块；便携式探头上的电源开关通过电缆线与电源相连。嵌入式微控制器控制信号发生器和激光器控制电路完成对DFB可调谐半导体激光器的驱动与调制，嵌入式微控制器与锁相放大器完成对检测信号的解调与相应数据的处理分析和存储，并通过数据显示及报警模块反映出检测结果。
便携式多气体遥测装置的有益效果是：
(1)便携式探头中集成了4台DFB可调谐半导体激光器，光谱输出范围覆盖甲烷、乙烯、乙炔、一氧化碳四种危险气体的吸收特征峰，输出光源保证了对四种气体同时监测的可行性；
(2)便携式探头中采用离轴抛物面反射镜对发散的激光入射光束进行折转90°的同时将其高度准直，且仅采用一次反射就达到上述目的，减少了激光能量的损耗；
(3)便携式探头中采用卡塞格林望远镜的类似结构，找到了面型匹配良好的抛物面与双曲面反射镜组，信号光汇聚后的光斑尺寸约为10um，小于一般探测器光敏面十几微米的尺寸，保证了所收集的信号光都可以照射探测器产生光电信号，大大提高了信号光的收集效率，保证了检测的灵敏度；
(4)便携式探头的激光发射光路与信号光收集光路共轴，消除了激光投射位置对于收集光路的离轴现象；
(5)通过集成光学瞄准镜并结合激光发射光路与信号光收集光路的合理布局，最终构成整个便携式探头的目视瞄准系统。目视瞄准系统与激光发射光路共轴，消除了瞄准位置对于激光投射位置的误差。借助于瞄准系统，操作者可以合理选择目标反射物，提高了检测效率和精度；
(6)便携式探头收发光路均采用反射式光路，完全消除了色差的影响，消除了遥测装置本身对不同气体检测时的差异影响；
(7)由于合理计算、优化了各光学镜面的曲率、离心率以及相互之间的放置距离，大大提高了装置收集远处散射光源微弱光信号的效率，这使得装置对目标反射物光反射率的要求大大降低，使得装置摆脱了远距离光程另一端必须放置角锥棱镜的束缚，拓展了目标反射物的范畴，对于大多数材质的反射物（如土壤表面、金属表面、木材表面、水泥表面等）所散射的微弱散射光，装置都可高效率的收集并驱动探测器产生足够强的探测电流。因此，装置可直接基于现场检测实际环境选择合适反射物进行检测，突破了原有检测空间的束缚，大大提高了检测的灵活性；
(8)一台装置可对四种危险气体同时进行检测，大大提高了检测效率的同时，还增加了装置使用的检测场合，具有较强的适用性；
(9)装置系统集成度高，体积小，其中长小于200mm，外径小于150mm，便携易操作。
基于可调谐半导体激光吸收光谱的便携式多气体遥测装置可实现对易燃易爆气体的巡检，弥补固定安装传感器及遥测设备的不足，消除监测死角，提高安全保障。该装置具有光子收发效率高，遥测、便携等优点并且可对甲烷、乙烯、乙炔以及一氧化碳四种危险气体同时进行检测，对基于可调谐半导体激光吸收光谱的气体遥测技术在矿产及油气开采储运行业中的应用推广具有重要意义。
附图说明
图1为便携式多气体遥测装置探头示意图。图2为装置控制箱示意图，其中有嵌入式微控制器、锁相放大器、信号发生器、激光控制电路、数据显示和报警模块以及系统供电电源。图3为信号发生器产生的锯齿波信号与高频正弦信号，其中正弦信号加载到锯齿波信号之上从而对其进行调制，最终通过驱动电流实现对激光器的波长调制。图4为雪崩光电探测器光敏面处信号光汇聚光斑的点列图，反映了光斑的尺寸大小。
图中：1-抛物面主反射镜；2-双曲面副反射镜；3-离轴抛物面反射镜；4-第一45°平面反射镜；5-第二45°平面反射镜；6-滤光片；7-雪崩光电探测器；8-目视光学瞄准镜；9-固定架；10-石英保护窗；11-壳体；12-位于壳体上的用于连接光纤接头的FC/APC接口；13-光纤FC/APC接头；14-光纤合束器；15- DFB可调谐半导体激光器；16- DFB可调谐半导体激光器；17- DFB可调谐半导体激光器；18- DFB可调谐半导体激光器；19-电源开关；20-待测气体；21-目标反射物。
具体实施方式
如图1所示，一种便携式多气体遥测装置，它由便携式探头与控制箱两部分组成；便携式探头包括壳体，在壳体中部水平方向由左到右依次布置有石英保护窗10、第一45°平面反射镜4、离轴抛物面反射镜3、双曲面副反射镜2、带有中央通孔的抛物面主反射镜1，滤光片6和雪崩光电探测器7；在第一平面反射镜的上方布置有第二45°平面反射镜5和目视光学瞄准镜8；雪崩光电探测器7的输出信号通过电缆线与控制箱中的锁相放大器连接；在离轴抛物面反射镜3下方的壳体中设置有光纤FC/APC接头13和与之连接的光纤合束器14，与光纤合束器连接的是集成到壳体内部的4台可调谐范围不同的DFB可调谐半导体激光器，还有与DFB可调谐半导体激光器电连接的电源开关19。便携式探头内集成有4台蝶形封装的DFB可调谐半导体激光器，实现了激光光源的发射与散射信号光的收集汇聚，同时探头中集成有瞄准光路，方便操作者对目标反射物的选择和瞄准。控制箱实现了对激光光源、探测器的控制以及信号数据的采集、分析和显示功能。抛物面主反射镜1的孔径为100mm，近轴曲率半径为282mm；双曲面副反射镜2的孔径为14.8mm，面圆锥系数为-2，其近轴曲率半径为51mm。
抛物面主反射镜1与双曲面副反射镜2相距120mm，远处散射光经抛物面主反射镜1与双曲面副反射镜2两次反射后汇聚于抛物面主反射镜1中心处。
放置滤光片6与雪崩光电探测器7用于接收汇聚后的散射信号光并将其转换成电信号。
离轴抛物面反射镜3孔径14.8mm，在垂直于光轴的方向上与壳体上FC/APC接口12的距离为50mm，离轴抛物面反射镜3的近轴曲率半径为50mm。离轴抛物面反射镜3与双曲面副反射镜2相距1mm安装固定。
第一45°平面反射镜4和第二45°平面反射镜5之间的距离大于50mm且第一45°平面反射镜4在垂直于光轴方向上的投影孔径与双曲面副反射镜2和离轴抛物面反射镜3的通光孔径相等，从而避免了目视瞄准光路对散射光信号收集光路的遮挡。
第一45°平面反射镜4表面镀有在可见光波段内具有高反射率、在1400nm~1700nm波段内具有高透过率的宽带介质膜；第二45°平面反射镜5表面镀有在可见光波段内具有高反射率的宽带介质膜；抛物面主反射镜1、双曲面副反射镜2以及离轴抛物面反射镜3表面镀有在1400nm~1700nm波段内具有高反射率的宽带介质膜。根据已有的实验结果并基于HITRAN数据库，四种危险气体的吸收特征峰分布为：甲烷1654nm，乙烯的为1621nm，乙炔1529nm，一氧化碳1566 nm。1400nm~1700nm波段可覆盖上述四种危险气体常用的吸收特征峰。
四台DFB可调谐半导体激光器的输出尾纤经合束器14合并成一束尾纤，其尾纤末端即为光纤FC/APC接头13。DFB可调谐半导体激光器引脚焊接在PCB电路板上并通过电缆线与控制箱中的激光器控制电路连接受其控制。DFB可调谐半导体激光器的调谐范围分别覆盖上述四种气体的吸收特征峰从而保证了整个便携式探头的光源光谱范围包含了四种气体的吸收特征光谱。整个便携式探头长小于200mm，外径小于150mm，外形似“手枪”，DFB可调谐半导体激光器及相应PCB板被固定于探头的“握把”区域内。
如图2所示，控制箱包括电源以及与电源电连接的嵌入式微控制器、锁相放大器、信号发生器、激光控制电路、数据显示和报警模块。嵌入式微控制器控制信号发生器和激光器控制电路完成对DFB可调谐半导体激光器的驱动与调制，嵌入式微控制器与锁相放大器完成对检测信号的解调与相应数据的处理分析和存储，并通过数据显示及报警模块反映出检测结果。
操作者手持便携式探头。借助探头上的目视瞄准光路可以看到远处物体的清晰像，操作者可以选择合适的物体作为目标反射物。在操作者看到的视场中，目标反射物上与十字中心重合的位置即为目视瞄准光路、激光发射光路和散射信号光收集光路三者同时瞄准的区域。操作者按下探头上的电源开关，DFB可调谐半导体激光器启动并输出激光。控制箱内的信号发生器分别产生锯齿波信号与高频的正弦信号，如图3所示。图3中显示了t0~t4时间段内的锯齿波与高频正弦信号。对于整个系统而言，可将该段时间看作一个周期T。嵌入式微控制器控制信号发生器与激光器控制电路分别将t0~t1、t1~t2、t2~t3和t3~t4时间段内的锯齿波信号与高频正弦信号进行调制，并通过光缆中的信号线作用到DFB可调谐半导体激光器15~18上。四台DFB可调谐半导体激光器在一个周期T中先后在波长调制电流信号的驱动下输出激光，从而保证了整个装置在一个周期T内经波长调制后，输出光谱范围覆盖了上述四种待测气体吸收特征峰的激光束。每台激光器输出的激光经合束器14后再经由尾纤端面出射，光束出射时的数值孔径为0.14。出射光束经过离轴抛物面反射镜3折转90°的同时被高度准直。由于平面反射镜4镀有在1400nm~1700nm波段内具有高透过率的宽带介质膜，准直光束可透过反射镜4并最终出射。由于采用反射面，光束的出射方向以及光束质量不会受到输出波长的影响。激光束经过待测吸收后入射到目标反射物的表面并被漫反射。反射后的部分信号光经再次通过待测气体并入射到探头的通光孔径内，并先后经过主反射镜1与副反射镜2后穿过滤光片6并聚焦到雪崩光电探测器7的表面。信号光经聚焦后的光斑尺寸大小约为10微米，小于传感器的光敏面大小（一般直径为十几个微米），如图4所示。收集光路采用反射面对光束进行汇聚，汇聚后光斑的大小与信号光波长无关。探头通光孔径所收集到的信号光经汇聚后全部作用到了探测器的光敏面上，探头的信号光收集效率高。镀有在可见光范围内具有高反射率的宽带介质膜的平面反射镜4将带有目标反射物反射出的可见光波段的光能折转90°并再次经由平面反射镜5反射后进入目视瞄准镜中。瞄准光路的设计配合激光发射光路与散射光收集光路的布局，获取光轴上反射物的图像信息的同时，避免了对激光收发光路的遮挡。石英保护窗体10对可见光以及激光光束透射，起到对探头进行保护与防尘隔离的作用，同时又对探头的光学性能无明显影响。雪崩光电探测器将接收到的光信号转换成电信号并通过电缆中的信号线传送给控制箱中的锁相放大器。锁相放大器结合信号发生器，将电信号中的二次谐波信号锁住并放大并传送给嵌入式微控制器进行进一步处理分析与保存。微控制器控制数据显示模块及报警系统将数据分析结果予以显示，并在气体浓度超过预警值时进行报警。
Claims (6)
1.一种便携式多气体遥测装置，它由便携式探头与控制箱两部分组成；其特征是便携式探头包括壳体，在壳体中部水平方向由左到右依次布置有石英保护窗、第一45°平面反射镜、离轴抛物面反射镜、双曲面副反射镜、带有中央通孔的抛物面主反射镜，滤光片和雪崩光电探测器；在第一45°平面反射镜的上方布置有第二45°平面反射镜和目视光学瞄准镜；雪崩光电探测器的输出信号通过电缆线与控制箱内锁相放大器相连接； 在离轴抛物面反射镜下方的壳体中设置有光纤FC/APC接头和与之连接的光纤合束器，与光纤合束器连接的是集成到壳体内部的4台可调谐范围不同的DFB可调谐半导体激光器，还有与DFB可调谐半导体激光器电连接的电源开关，DFB可调谐半导体激光器通过电缆线与控制箱中的激光器控制电路相连接;抛物面主反射镜的孔径为100mm，近轴曲率半径为282mm；双曲面副反射镜的孔径为14.8mm，面圆锥系数为-2，其近轴曲率半径为51mm；抛物面主反射镜与双曲面副反射镜相距120mm，远处散射光经抛物面主反射镜与双曲面副反射镜两次反射后汇聚于抛物面主反射镜中心处；
离轴抛物面反射镜孔径14.8mm，在垂直于光轴的方向上与壳体上FC/APC接口的距离为50mm，离轴抛物面反射镜的近轴曲率半径为50mm。
2.根据权利要求1所述的便携式多气体遥测装置，其特征是离轴抛物面反射镜与双曲面副反射镜相距1mm安装固定。
3.根据权利要求1所述的便携式多气体遥测装置，其特征是第一45°平面反射镜和第二45°平面反射镜之间的距离大于50mm且第一45°平面反射镜在垂直于光轴方向上的投影孔径与双曲面副反射镜和离轴抛物面反射镜通光孔径相等。
4.根据权利要求1所述的便携式多气体遥测装置，其特征是第一45°平面反射镜表面镀有在可见光波段内具有高反射率、在1400nm~1700nm波段内具有高透过率的宽带介质膜；第二45°平面反射镜表面镀有在可见光波段内具有高反射率的宽带介质膜；抛物面主反射镜、双曲面副反射镜以及离轴抛物面反射镜表面镀有在1400nm~1700nm波段内具有高反射率的宽带介质膜。
5.根据权利要求1所述的便携式多气体遥测装置，其特征是四台DFB可调谐半导体激光器的输出尾纤经合束器合并成一束尾纤，其尾纤末端即为光纤FC/APC接头；DFB可调谐半导体激光器引脚焊接在PCB电路板上并通过电缆线与控制箱中激光器控制电路相连接。
6.根据权利要求1所述的便携式多气体遥测装置，其特征是控制箱包括电源以及与电源电连接的嵌入式微控制器、锁相放大器、信号发生器、激光器控制电路、数据显示和报警模块；便携式探头上的电源开关通过电缆线与电源相连。
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