CN105911021A - 基于tdlas检测多种气体的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TDLAS检测多种气体的方法和装置，更换装有不同气体的气室和激光安装座上对应的光波长的激光器，可以方便地检测各种气体的浓度。激光安装座设有温度控制、显示屏和操作按钮，激光器安装在激光安装座的上面的鞍型夹具上，检测不同气体时，只需打开鞍型夹具更换激光器。独立的斜面气室为圆柱形，透光、化学性能稳定的窗口片粘接在气室的斜面上，斜面气室搁置在托块上。气室与长光程反射池的二端的反射镜同心、平行，旋开连接环螺栓，即可更换装有不同气体的斜面气室。探测器的接收芯片中心对准长光程反射池的出光孔，将接收的光信号传输到控制器，控制器集成了对激光器驱动，采集信号后将数据传输给上位机处理显示检测结果。

Description

基于TDLAS检测多种气体的方法和装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及基于TDLAS检测多种气体的方法和装置。

背景技术

作用于测量气体浓度的一种方法，TDLAS(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy可调谐半导体激光吸收光谱)。使用激光测量气体浓度正在逐步替代传统的电化学型气体检测形式，它速度快、灵敏度高的显著优势，在环境检测、科研实验、石油化工、采矿等领域普遍使用。TDLAS技术是一种高分辨率的光谱吸收技术，在待测的混合气体中，其各种特定的气体成分分别具有特定波长的吸收特性，将具有特定频率的激光入射待测气体，入射激光在该待测气体的目标气体成分的特定频率附近被强烈吸收，激光穿过被测气体的光强产生衰减。通过气体吸收激光后的光强的衰减可用朗伯-比尔定律测量气体的浓度。TDLAS检测设备包括：激光器及其安装、激光器驱动、温度控制、准直器，长光程反射池、气室、探测器、锁相放大解调，数据采集模块组成。这些模块生产商和使用者有各种组合形式，形成各自不同的工作效率的和经济成本，更重要的是检测结果的精度有一定的差异。

目前组合使用TDLAS检测设备的一般有下列形式：

1、激光安装与准直器、激光器驱动、温度控制组成一个激光模块，不同波段的激光器选用不同型号的模块，检测不同的气体就得购置不同的激光模块。

2、激光器发射光通过一组对射镜调节后入射进长光程反射池，长光程反射池和气室组合长光程气体池模块，气室的二端是一组反射镜；对一些挥发性、腐浊需要及时清洗，很容易损害反射镜和整体模块。

发明内容

本发明目的是：基于TDLAS检测多种气体的方法和装置，使用一套装置，检测混合气体，根据目标气体成分的特定吸收光波，可调换对应波长的激光器，可在同一气室测得多种不同气体的浓度；更换装有不同气体的气室和对应的光波长的激光器，可以方便地检测各种气体的浓度。本装置包括：1、设有激光安装座中有温度控制、显示屏和操作按钮，操作激光器的预置温度和显示实时工作温度。激光器安装在激光安装座的上面的鞍型夹具上，检测不同气体时，只需打开鞍型夹具，方便的更换不同波长的激光器。2、设有长光程反射池、气室、托块、连接环、O型密封圈、探测器为分体式组合模块。所述长光程反射池设有底板，二个镜固定架，二个凹面反射镜，二个封板。前封板上有进光孔，准直调节板安装在前封板上，准直器安装在准直调节板上，激光器的光纤接头连接在准直器上，激光器的射光就进入长光程反射池，安装在二个镜固定架里的二个凹面反射镜对面反射多次光束，从后反射镜的、后封板上的出光孔射出。

气室为独立的圆柱形气体密封室，二端为斜面，斜面气室采用不吸收光源，不吸附气体，化学性能稳定，能承受一定的稳定和大气压强的材料制作，斜面的窗口片选用透光、化学稳定性材料粘接在气室的斜面上，斜面气室搁置在托块上。托块分成前后二块，后托块安装在长光程反射池的中间的底板上，前托块与后托块连接固定。二端有气室连接环和O型密封圈与长光程反射池的镜固定用螺栓连接，使气室与长光程反射池的二端的反射镜同心、平行。旋开螺栓即可方便更换装有不同气体的斜面气室。探测器安置在长光程反射池的底板的后端，探测器的接收芯片中心对准长光程反射池的出光孔。3、设有控制器将激光器驱动、锁相放大解调组合成一个控制器内，控制器内集成电源、对激光座供电及数据接收、采集探测器光信号转为电信号等，有将数据传输给上位机的接口，由上位机内的数据处理模块处理后将检测数据显示。

本发明目的技术方案是：基于TDLAS检测多种气体的方法和装置，使用一套装置，检测混合气体，根据目标气体成分的特定吸收光波，可调换对应波长的激光器，可在同一气室测得多种不同气体的浓度；更换装有不同气体的气室和对应的光波长的激光器，可以方便地检测各种气体的浓度。包括：激光安装座，长光程反射池，斜面气室，托块，二个气室连接环和O型密封圈，探测器，控制器。

所述激光安装座上面和二测面有均匀齿型散热槽，上面散热槽的中间部让位设有鞍型夹具，用于装夹激光器，二测面的散热槽用于内壁安装温控芯片的散热；激光安装座的正面有显示屏和操作按钮，操作激光器预置温度和显示实时工作温度；背面有二个DB9接口，连接控制器。

所述长光程反射池设有底板，二个镜固定架，二个凹面反射镜，二个封板。前封板上有进光孔，准直调节板安装在前封板上，准直器安装在准直调节板上，激光器的光纤接头连接在准直器上，激光器的射光就进入长光程反射池，安装在二个镜固定架里的二个凹面反射镜对面多次反射光束，从后凹面反射镜、后封板上的出光孔射出。

所述斜面气室采用不吸收光源，不吸附气体，化学性能稳定，能承受一定的大气压强的材料，设内壁光洁圆柱形管体，二端面为斜面，避免透过光的反射干扰光源；圆柱形管体上有二个进出气口，用于安装气体接头和气阀来控制进出气体。斜面的窗口片选用透光率高、化学稳定性材料，粘接在气室的斜面上。

所述托块分前、后二块，上面是圆弧形用来托气室，后托块的底面用螺栓安装在底板上，前托块从前侧面用螺栓安装在后托块上。

所述连接环用于斜面气室和长光程反射池连接，连接环通过螺栓固定在镜固定架上，O型密封圈嵌在气室连接环的内圆槽内，使得斜面气室与长光程反射池的二端的反射镜同心、平行，也保护了反射镜面不染灰尘。

所述探测器的接收芯片中心对准长光程反射池的出光孔，安置在长光程反射池的底板的后端。

本发明的优点是：

1、一套TDLAS设备可检测多种气体，具有结构紧凑、适用范围广。

2、更换激光器和斜面气室，操作方便。

3、独立气室易清洗，防止气体交叉反应，影响检测气体的精度，检测设备不会被所测气体损害，延长了使用寿命。

附图说明

图1为本发明装置立体图；

图2为本发明装置的电、光路示意图；

图3为本发明激光安装座组件视图；

图4为本发明长光程反射池组件立体图；

图5为本发明零件斜面气室正剖视图；

图中标号：1激光安装座；11显示屏；12按钮；13DB9接头；14鞍型夹具；15散热槽；16温控芯片；2激光器；21光纤接头；3准直器；31准直调节块；4长光程反射池；41底板；42镜固定架(二件)；43封板(二件)；44凹面反射镜(二件)；45撑杆；5斜面气池；51窗口片(二件)；52进出气口(二个)；6托块；60圆弧面；61后托块；611螺孔；62前托块；621前螺孔；7O型密封圈；8连接环；81O圈槽；9探测器；91接收芯片；92传输接头；10控制器；11螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述：

如图1所示，基于TDLAS检测多种气体的方法和装置，更换装有各种待测气体的斜面气室，根据目标气体成分的特定吸收光波，配置激光安装座上对应的光波长的激光器，一套TDLAS装置可方便地检测各种气体的浓度。装置包括：激光安装座1，激光器2，准直器3，长光程反射池4，斜面气池5，托块6，O型密封圈7，连接环8，探测器9，控制器10。所述激光安装座1上面的中间部设有鞍型夹具14，用于装夹激光器2，所述激光器2的光纤接头21与准直器3通过螺纹连接，准直调节块31通过螺栓与长光程反射池4中的前封板连接。所述斜面气室5搁置在托块6上，所述托块6安装在长光程反射池4的中间的底板上，所述连接环8用于斜面气室5和长光程反射池4的镜固定架的连接，所述O型密封圈7嵌在连接环8内。所述探测器9的接收芯片中心对准长光程反射池4的出光孔，安置在长光程反射池4的底板的后端。所述控制器10集成电源、激光器驱动、采集探测器信号、锁相放大解调组合，通过外接口将数据传输给上位机。

如图2所示本发明装置的电、光路示意图，电源接入控制器，控制器给激光安装座上的激光器提供驱动，接收温控信号。激光器射出光束，安装在长光程反射池二端的凹面反射镜将光束多次反射后从出光孔射出(虚线条示意光束)，探测器接收光信号进行放大处理转为电信号后，传输给控制器，控制器将锁相信号处理后将数据传输给上位机。

如图3所示本发明激光安装座组件视图，图a是正视图：激光安装座1的正面有显示屏11和操作按钮12，操作激光器2预置温度和显示实时工作温度，鞍型夹具14压紧激光器的状态。图b是后视图：背面有二个DB9接口13，连接控制器10，鞍型夹具140是打开的状态。图c是俯视图：激光安装座1上面和二测面有均匀齿型散热槽15，上面散热槽的中间部让位设有鞍型夹具14，激光器2装夹在鞍型夹具14的中间。图d是侧面图：二测面的散热槽用于内壁安装温控芯片16的散热。

如图4所示本发明长光程反射池组件立体图，所述长光程反射池4设有底板41，二个镜固定架42，二个凹面反射镜44，二个封板43，撑杆45连接二端的镜固定架42。前封板上有进光孔，后封板上有出光孔，准直调节板31通过螺栓安装在前封板43上。所述托块6分前、后二块，上面是圆弧面60，用来托斜面气室，后托块61的底面用螺栓安装在底板41上，前托块62的前侧面有二前螺孔621，由螺栓11与后托块螺孔611连接，旋开螺栓11即可退出前托块62，方便斜面气室5的更换。所述探测器9的接收芯片91中心对准长光程反射池4的出光孔，安置在底板41的后端。所述连接环8用于斜面气室5和镜固定架42通过螺栓连接，O型密封圈7嵌在气室连接环的内圆槽81内，使得斜面气室5与长光程反射池4的二端的反射镜44同心、平行，也保护了反射镜面44不染灰尘。旋开螺栓即可方便更换装有不同气体的斜面气室。

如图5所示本发明零件斜面气室正剖视图，斜面气室5采用不吸收光源，不吸附气体，化学性能稳定，能承受一定大气压强的材料，设内壁光洁圆柱形管体，二端面为斜面，避免透过光的反射干扰光源；圆柱形管体上有二个进出气口52，用于安装气体接头和气阀来控制进出气体。二斜面的窗口片51选用透光率高、化学稳定性材料，粘接在气室的斜面上。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (4)

1.基于TDLAS检测多种气体的方法和装置，其特征在于更换装有各种待测气体的斜面气室，根据目标气体成分的特定吸收光波，配置激光安装座上对应的光波长的激光器，一套TDLAS装置可方便地检测各种气体的浓度，包括：激光安装座，激光器，准直器，长光程反射池，斜面气池，托块，O型密封圈，连接环，探测器，控制器；所述激光安装座上面的中间部设有鞍型夹具，用于装夹激光器，所述激光器的光纤接头与准直器通过螺纹连接，准直调节块通过螺栓与长光程反射池中的前封板连接。所述斜面气室搁置在托块上，所述托块安装在长光程反射池的中间的底板上，所述连接环用于斜面气室和长光程反射池的镜固定架的连接，所述O型密封圈嵌在连接环内；所述探测器的接收芯片中心对准长光程反射池的出光孔，安置在长光程反射池的底板的后端；所述控制器集成电源、激光器驱动、采集探测器信号、锁相放大解调组合，通过外接口将数据传输给上位机。

2.根据权利要求1所述基于TDLAS检测多种气体的方法和装置，其特征在于：所述激光安装座的正面有显示屏和操作按钮，操作激光器预置温度和显示实时工作温度，鞍型夹具压紧激光器的状态；背面有二个DB9接口，连接控制器；激光安装座上面和二测面有均匀齿型散热槽，上面散热槽的中间部让位设有鞍型夹具，激光器装夹在鞍型夹具的中间；二测面的散热槽用于内壁安装温控芯片的散热。

3.根据权利要求1所述基于TDLAS检测多种气体的方法和装置，其特征在于：所述托块分前、后二块，上面是圆弧面，用来托斜面气室，后托块的底面用螺栓安装在底板上，前托块的前侧面有二前螺孔，由螺栓与后托块螺孔连接，旋开螺栓即可退出前托块，方便斜面气室的更换。

4.根据权利要求1所述基于TDLAS检测多种气体的方法和装置，其特征在于：所述斜面气室采用不吸收光源，不吸附气体，化学性能稳定，能承受一定大气压强的材料，设内壁光洁圆柱形管体，二端面为斜面，避免透过光的反射干扰光源；圆柱形管体上有二个进出气口，用于安装气体接头和气阀来控制进出气体；二斜面的窗口片选用透光率高、化学稳定性材料，粘接在气室的斜面上。