CN105758803A - 多次反射长光程高温样品室的激光气体检测平台 - Google Patents

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汪冰冰
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陈聪
司涛
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Abstract

本发明涉及一种多次反射长光程高温样品室的气体检测平台。包括：平台底座22、样品室壳体11、光路调整装置1、激光发射装置2、接收装置安装座21、激光接收装置20、共轭激光反射装置；样品室壳体11的一侧上方有气体入口9，样品室壳体11的另一侧上方有气体出口13，样品室壳体11的两端分别设有入射窗口7和出射窗口15；激光发射装置2安装在光路调整装置1上，激光接收装置20安装在接收装置安装座21上；共轭激光反射装置包括凹面反射镜3和凹面反射镜19。本气体检测平台，测量精度高，由于激光的光斑较小，采用多次反射将检测光通过的样气光程加大到10?30倍；体积小，多次反射式结构使长光程样品气室长度缩短；成本低，简化了复杂的光机结构，降低了测量系统的结构件成本。

Description

多次反射长光程高温样品室的激光气体检测平台
技术领域
本发明涉及一种激光气体检测平台，特别涉及一种多次反射长光程高温样品室的气体检测平台。
背景技术
随着社会及经济的发展，大气资源与人们的关系越来越密切。一方面，大气污染是受关注的问题之一，迫切需要对工业、交通运输业中产生的各种有害有毒、易燃易爆的气体进行监控；另一方面，在利用各种气体的时候，如天然气、煤制气、液化气等的开发和使用，或是航天工业中用到的气体系统，对各种气体浓度的检测是不可缺少的。
在未饱和的弱吸收情况下，半导体激光穿过被测气体的光强衰减可用Beer-Lambert关系表述：
lv= I0T(v)= I0exp[-S(T)g(v-v0)PXL] （1）。
式中：I0和Iν分别表示频率为ν的单色激光入射时和经过光程L、气体压力P和体积浓度为X的气体后的光强。线形函数g (ν-ν0 )表征该吸收谱线的形状，它与气体温度、压力有关。S(T)表示气体吸收谱线的强度，是气体温度的函数。常规气体的S(T)参数可在分子光谱数据库HITRAN中查询。
由Beer-Lambert关系可知，在其他参量不变时，气体浓度与光程成反比。故当被测气体含量很低时，可通过加长光程实现检测。通过测量气体对激光光强的衰减，根据公式（1）以及S(T)和g (ν-ν0 )与温度、压力等参数的定量关系，可以获得被测气体的浓度信息。在空气痕量气体的检测中，一般需要和长光程多次吸收技术相结合，用来提高仪器检测下限水平。
加长光程一般采用反射镜对光线进行多次反射来实现，而反射镜一旦设置在气体室内后，其位置和角度很难调节，从而较难达到理想的光路。而且传统的回返气体室存在成本高，反射镜受污染后不易清洗等缺点。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种采用Herriott多次反射式气室以保证长光程，测量精度高，体积小，成本低的小型化带多次反射高温样品室的激光气体检测平台。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
多次反射长光程高温样品室的气体检测平台，包括
平台底座；
样品室壳体，所述样品室壳体设置在所述平台底座上，样品室壳体的一侧的侧壁上方设置有气体入口，样品室壳体的另一侧的侧壁上方设置有气体出口，样品室壳体的两端分别设有入射窗口和出射窗口；所述样品室壳体的左端上部设有通光孔；所述样品室壳体的右端下部设有通光孔；
光路调整装置，所述光路调整装置设置在所述平台底座上，所述样品室壳体的左端外侧；
接收装置安装座，所述接收装置安装座设置在所述平台底座上，所述样品室壳体的右端外侧；
激光发射装置，所述激光发射装置安装在通光孔外侧的光路调整装置上，激光发射装置为发射光线的起始端；
激光接收装置，所述激光接收装置安装在通光孔外侧的接收装置安装座上，激光接收装置为发射光线的末端；
共轭激光反射装置，所述共轭激光反射装置由两片采用Herriott Cell原理的共轭凹面反射镜构成，包括凹面反射镜和凹面反射镜，所述凹面反射镜、凹面反射镜分别固定在样品室壳体的两端；所述凹面反射镜安装在凹面反射镜安装座上，所述凹面反射镜安装在凹面反射镜安装座上；
所述凹面反射镜设置在入射窗口的前面，所述凹面反射镜设置在出射窗口的后面；
激光发射装置的发射光线经过入射窗口射入到样品室壳体的内腔后，经过出射窗口，射到凹面反射镜，经反射，光线在两片共轭凹面反射镜、凹面反射镜和入射窗口、出射窗口之间经多次反射，最后由凹面反射镜的出口射到激光接收装置上。
进一步地，所述样品室壳体上还设有加温装置、温控装置、压力传感装置。
进一步地，所述入射窗口和出射窗口为偏向角为2°~10°的涂镀增透膜的楔形镜片，楔形镜片用来密封被测气体，同时也避免了平面窗口产生较大的光路噪声。
进一步地，所述激光发射装置由半导体激光器和激光准直镜构成。
进一步地，所述激光接收装置由光电探测器构成。
进一步地，所述凹面反射镜和入射窗口之间设有隔热块，凹面反射镜和出射窗口之间设有隔热块；隔热块的安装方式为插入式安装，隔热块的作用：1.隔热，2.防止外界气体流动对光路产生影响；隔热块采用插入式的安装方式避免了加热变形对光路产生的影响。
进一步地，所述样品室壳体的两边分别设有窗口，便于观察调整光路和清洁窗片，在调整光路或清洁窗片时打开窗口，光路调整完或清洁窗片完成后，密封窗口。
进一步地，所述光路调整装置包括平移安装座、可调转接件，平移安装座提供XY调节，可调转接件提供俯仰和偏航调节。
进一步地，所述加温装置是加热棒，所述加热棒通过加热棒压板固定在所述样品室壳体上，所述的温控装置用导热硅胶固定在所述样品室壳体上。
进一步地，所述入射窗口安装在楔镜安装座上；所述出射窗口安装在楔镜安装座上。
多次反射长光程高温样品室的气体检测平台可通过调整样品室壳体长度以及通过调整光路调整装置来调整反射次数，获得不同的实际光程。
本发明所述的一种采用Herriott多次反射长光程高温样品室的气体检测平台工作原理是：激光发射装置把激光波长调节到与被测气体对应的波长，通过准直透镜进入多次反射样品室，经过共轭反射凹面镜的多次反射后，经过准直透镜后进入光电探测器；光电探测器及压力传感装置把接收信号传送给信号采集与分析电路分析和处理，最后计算出被测气体的浓度。
本发明的有益效果在于：提供了一种采用Herriott多次反射长光程高温样品室的气体检测平台，测量精度高，由于激光的光斑较小，采用了多次反射式样品室，可以将检测光通过的样气的光程加大了10-30倍，从而做到更高精度的测量；体积小，采用了多次反射式结构，原先需要的长光程样品气室大大缩短，同时由于激光的光斑较小因此保证了多次反射式样品室的容积，从而确保了响应速度；成本低，在简化了复杂的光机结构后大幅度的降低了测量系统的结构件成本。
附图说明
图1是多次反射长光程高温样品室的气体检测平台的结构示意图剖视图。
图2是多次反射长光程高温样品室的气体检测平台的光路示意图。
图3是多次反射长光程高温样品室的气体检测平台的结构示意图俯视图。
图4是多次反射长光程高温样品室的气体检测平台的结构示意图立体图。
图5是激光发射装置结构图。
图6是光路调整装置结构图。
图7是模拟光斑效果图。
图中：1-光路调整装置；2-激光发射装置；3-共轭凹面反射镜；4-凹面反射镜安装座；5-隔热块； 6-楔镜安装座；7-入射窗口；8-密封O型圈；9-气体入口；10-加热棒压板；11-样品室壳体；12-压力传感器；13-气体出口；14-密封O型圈；15-出射窗口；16-楔镜安装座；17-隔热块B；18-凹面反射镜安装座；19-共轭凹面反射镜；20-激光接收装置；21-接收装置安装座；22-平台底座；23-通光孔；24-通光孔；25-加热棒；26-温控装置；27-窗口。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-4所示，多次反射长光程高温样品室的气体检测平台，包括：
平台底座22；
样品室壳体11，所述样品室壳体11设置在所述平台底座22上，样品室壳体11的一侧的侧壁上方设置有气体入口9，样品室壳体11的另一侧的侧壁上方设置有气体出口13，样品室壳体11的两端分别设有入射窗口7和出射窗口15；所述样品室壳体11的左端上部设有通光孔23；所述样品室壳体11的右端下部设有通光孔24；
光路调整装置1，所述光路调整装置1设置在所述平台底座22上，所述样品室壳体11的左端外侧；
接收装置安装座21，所述接收装置安装座21设置在所述平台底座22上，所述样品室壳体11的右端外侧；
激光发射装置2，所述激光发射装置2安装在通光孔23外侧的光路调整装置1上，激光发射装置2为发射光线的起始端；
激光接收装置20，所述激光接收装置20安装在通光孔24外侧的接收装置安装座21上，激
光接收装置20为发射光线的末端；
共轭激光反射装置，所述共轭激光反射装置由两片采用Herriott Cell原理的共轭凹面反射镜构成，包括凹面反射镜3和凹面反射镜19，所述凹面反射镜3、凹面反射镜19分别固定在样品室壳体11的两端；所述凹面反射镜3安装在凹面反射镜安装座4上，所述凹面反射镜19安装在凹面反射镜安装座18上；
所述凹面反射镜3设置在入射窗口7的前面，所述凹面反射镜19设置在出射窗口15的后面。
激光发射装置2的发射光线经过入射窗口7射入到样品室壳体11的内腔后，经过出射窗口15，射到凹面反射镜19，经反射，光线在两片共轭凹面反射镜3、凹面反射镜19和入射窗口7、出射窗口15之间经多次反射，最后由凹面反射镜19的出口射到激光接收装置20上。
所述样品室壳体11上还设有加温装置、温控装置26、压力传感装置12；所述加温装置是加热棒25，所述加热棒25通过加热棒压板10固定在所述样品室壳体11上。
所述入射窗口7和出射窗口15为偏向角为2°~10°的涂镀增透膜的楔形镜片。
所述激光发射装置2由半导体激光器和激光准直镜构成；激光接收装置20由光电探测器构成。
所述凹面反射镜3和入射窗口7之间设有隔热块5、凹面反射镜19和出射窗口15之间设有隔热块17；隔热块5、隔热块17的安装方式为插入式安装。
所述样品室壳体11的两边分别设有窗口27。
所述光路调整装置1包括平移安装座、可调转接件。
所述入射窗口7安装在楔镜安装座6上，挤压密封O型圈8密封腔体内的被检测气体；所述出射窗口15安装在楔镜安装座16上，挤压密封O型圈14密封腔体内的被检测气体。
实施例1：我们通过图5所示激光发射装置2注入测NH3对应波长为1512nm的激光器，开启加温装置模拟现场环境，采用如图6所示光路调整装置调整光路，激光发射装置2的发射光线经过入射窗口7射入到样品室壳体11的内腔后，经过出射窗口15，射到凹面反射镜19，经反射，光线在两片共轭凹面反射镜3、凹面反射镜19和入射窗口7、出射窗口15之间经多次反射，最后由凹面反射镜19的出口射到激光接收装置20上。
如图7所示为模拟光斑效果图，被检测气体从气体入口9 通入样品室壳体11再从气体出口13排出。
当然，我们可以使用不同波长的激光器来检测对应不同种类的气体，激光器波长对应被测气体推荐参见表1。
表1：
实施例2：与实施例1 不同的是，由于被测气体的吸收信号强度较大或者所需的检测精度较低，不需要较长的光程，从而直接采用一段满足应用所需长度的样品室壳体11作为检测样品室，此时，样品室壳体11内不需要设置共轭激光反射装置；而激光发射装置2发射的激光直接入射进样品室壳体11，再由样品室壳体11另一端出射后经过准直后会聚至激光接收装置20上。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.多次反射长光程高温样品室的气体检测平台，其特征在于：包括
平台底座（22）；
样品室壳体（11），所述样品室壳体（11）设置在所述平台底座（22）上，样品室壳体（11）的一侧的侧壁上方设置有气体入口（9），样品室壳体（11）的另一侧的侧壁上方设置有气体出口（13），样品室壳体（11）的两端分别设有入射窗口（7）和出射窗口（15）；所述样品室壳体（11）的左端上部设有通光孔（23）；所述样品室壳体（11）的右端下部设有通光孔（24）；
光路调整装置（1），所述光路调整装置（1）设置在所述平台底座（22）上，所述样品室壳体（11）的左端外侧；
接收装置安装座（21），所述接收装置安装座（21）设置在所述平台底座（22）上，所述样品室壳体（11）的右端外侧；
激光发射装置（2），所述激光发射装置（2）安装在通光孔（23）外侧的光路调整装置（1）上，激光发射装置（2）为发射光线的起始端；
激光接收装置（20），所述激光接收装置（20）安装在通光孔（24）外侧的接收装置安装座（21）上，激光接收装置（20）为发射光线的末端；
共轭激光反射装置，所述共轭激光反射装置由两片采用Herriott Cell原理的共轭凹面反射镜构成，包括凹面反射镜（3）和凹面反射镜（19），所述凹面反射镜（3）、凹面反射镜（19）分别固定在样品室壳体（11）的两端；所述凹面反射镜（3）安装在凹面反射镜安装座（4）上，所述凹面反射镜（19）安装在凹面反射镜安装座（18）上；
所述凹面反射镜（3）设置在入射窗口（7）的前面，所述凹面反射镜（19）设置在出射窗口（15）的后面；
激光发射装置（2）的发射光线经过入射窗口（7）射入到样品室壳体（11）的内腔后，经过出射窗口（15），射到凹面反射镜（19），经反射，光线在两片共轭凹面反射镜（3）、凹面反射镜（19）和入射窗口（7）、出射窗口（15）之间经多次反射，最后由凹面反射镜（19）的出口射到激光接收装置（20）上。
2.根据权利要求1所述的多次反射长光程高温样品室的气体检测平台，其特征在于：所述样品室壳体（11）上还设有加温装置、温控装置（26）、压力传感装置（12）。
3.根据权利要求1所述的多次反射长光程高温样品室的气体检测平台，其特征在于：入射窗口（7）和出射窗口（15）为偏向角为2°~10°的涂镀增透膜的楔形镜片。
4.根据权利要求1所述的多次反射长光程高温样品室的气体检测平台，其特征在于：激光发射装置（2）由半导体激光器和激光准直透镜构成。
5.根据权利要求1所述的多次反射长光程高温样品室的气体检测平台，其特征在于：激光接收装置（20）由光电探测器构成。
6.根据权利要求1所述的多次反射长光程高温样品室的气体检测平台，其特征在于：凹面反射镜（3）和入射窗口（7）之间设有隔热块（5）、凹面反射镜（19）和出射窗口（15）之间设有隔热块（17）；隔热块（5）、隔热块（17）的安装方式为插入式安装。
7.根据权利要求1所述的多次反射长光程高温样品室的气体检测平台，其特征在于：所述样品室壳体（11）的两边分别设有窗口（27）。
8.根据权利要求1所述的多次反射长光程高温样品室的气体检测平台，其特征在于：所述光路调整装置（1）包括平移安装座、可调转接件。
9.根据权利要求2所述的多次反射长光程高温样品室的气体检测平台，其特征在于：所述加温装置是加热棒（25），所述加热棒（25）通过加热棒压板（10）固定在所述样品室壳体（11）上，所述温控装置（26）用导热硅胶固定在所述样品室壳体（11）上。
10.根据权利要求3所述的多次反射长光程高温样品室的气体检测平台，其特征在于：所述入射窗口（7）安装在楔镜安装座（6）；所述出射窗口（15）安装在楔镜安装座（16）上。
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