CN106404705A - 一种高精度红外多气体检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度红外多气体检测装置，属于气体检测领域。本发明通过可变腔长滤光器协同能发出宽光谱且具有步进式工作模式和扫描工作模式的红外光源，能够控制透射至热释电敏感单元进行检测的选通波长，进而实现单一装置进行多种气体的高精度检测；并通过参考气室与吸收气室输出信号的对比分析，获得更为精准的检测结果，同时，参考气室的存在可以降低外界因素干扰；此外，吸收气室内设置可通过光程部件合理调节的多个凹面镜实现光程调节，以满足不同气体在高检测精度下的浓度测量。本发明通过合理设计结构，能够实现单一装置一次高精度检测多种气体的种类及浓度，提供了一种新型、性能良好的气体检测装置，拓展了红外气体检测的应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测领域，具体涉及一种高精度红外多气体检测装置。
背景技术
气体浓度的快速准确检测是环保监控、安全生产、医疗监护、工业过程必不可少的关键技术，在煤炭、石油化工、冶金、电力、农业、医疗等行业以及环保工程和生物工程等方面都有着广泛的应用，气体检测装置的研究己经受到极大的重视。
随着经济与科技的发展，人们对气体检测装置提出了越来越高的要求，近年来迅速发展的红外气体传感器具有传统气体传感器无可比拟的优点，因此倍受国内外学者关注，代表了气体传感技术的一个重要发展方向。
传统的气体检测装置往往都是对单一气体进行检测，如若需要检测多种气体则需要有多套检测装置，这样不仅成本高而且对于空间占用也有一定需求，尤其应用于航天航空领域会受到极大限制；此外，传统多气体检测装置通常仅能根据特定气体种类检测环境中该种气体的浓度，并且检测精度达不到更高要求，例如对有毒有害气体成分变化以及浓度变化要求有高检测精度的情况下，现有的气体检测装置往往无法达到其精度要求，故而，急需一种高精度气体检测装置来满足需求。故而，如何实现单一气体检测装置对待测环境中多种气体成分的种类和浓度进行高精度检测，成为研究中所要解决的技术问题。此外，现有技术中，光源与探测器往往呈直线设置，吸收气室的长度一定程度上限定了气体检测过程中的光程，因此在测量过程中气体分子对红外波长的吸收受到吸收气室长度的影响，这样的设计使得气体传感器结构较大，携带不方便并且在测量多种气体时受到限制，这些都会影响检测精度；而在非真空情况下，气室中会有环境气体分子吸收干扰，也会影响检测精度。因此，通过研发安装结构合理的气体检测装置，精确测量出待测环境多种气体的种类及浓度，拓展红外气体检测的应用领域，对于气体检测领域的应用和相关试验研究都有积极的影响。
为了克服以上技术问题，亟需一种能够高精度测量待测环境多种气体的种类及浓度的红外气体检测装置。
发明内容
基于上文所述，本发明为克服上述技术问题提供一种高精度红外多气体检测装置，该气体检测装置的光源能够发出宽光谱红外光源并且具有步进式工作模式和扫描工作模式，并且滤光器的性能可通过电信号调节腔长协同光源进行工作，从而使得本发明能够实现单一装置一次高精度检测多种气体的种类及浓度。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高精度红外多气体检测装置，其特征在于，其光气路系统包括：光源、分光器件、光学气室、可调腔长滤光器和热释电敏感单元；所述光源设置在所述光学气室外侧，所述光学气室包括参考气室和吸收气室，所述参考气室靠近光源侧和相对远离光源侧分别设有第一进光窗和第一出光窗，所述吸收气室靠近光源侧间隔设有第二进光窗和第二出光窗，所述吸收气室内设置有至少三个凹面反射镜和光程调节部件，所述吸收气室与所述参考气室靠近光源侧和相对远离光源侧分别设有进气口和出气口；所述光源仅为一个，可发出宽光谱激光并进行扫描式和窄带步进式工作，光源发出的光经分光器件分为两束后分别进入参考气室和吸收气室，其中一束经过设于参考气室出气口的第一可调腔长滤光器到达第一热释电单元，另一束经过吸收气室的第二出光窗射出后经过第二可调腔长滤光器到达第二热释电单元最终通过电路输出相应的参考信号和检测信号。
进一步地，本发明中吸收气室包括底座及固定在底座上的壳体，所述壳体与底座间形成容纳凹面反射镜及光程调节部件的容置腔，凹面反射镜及光程调节部件的设置具体如下：
第一凹面反射镜，所述第一凹面反射镜设置在所述吸收气室内，并位于第二进光窗和第二出光窗之间；
第二凹面反射镜与第三凹面反射镜关于所述第一凹面反射镜的中心轴线对称设置，并且设于所述吸收气室出气口内侧的同一垂直面上；
第一凹面反射镜、第二凹面反射镜和第三凹面反射镜曲率半径相同，三面凹面反射镜处于同一平面内，所述第一凹面反射镜的曲率中心在所述第二凹面反射镜和所述第三凹面反射镜之间的中点处，所述第二凹面反射镜和第三凹面反射镜的曲率中心均在所述第一凹面反射镜的凹面内。
进一步地，本发明中光程调节部件调节第一凹面反射镜与第二凹面反射镜或第三凹面反射镜所在垂直面的垂直距离、第二凹面反射镜和第三凹面反射镜的倾间距以及第二凹面反射镜或第三凹面反射镜的倾斜角度。
进一步地，本发明中可调腔长滤光器为F-P腔薄膜滤光器，其结构包括壳体，其内部具有容纳空间，所述壳体靠近光学气室面和相对面分别对应设有第三进光窗和第三出光窗；所述容纳空间内设置有固定于底座的第一基板和与第一基板隔离且对称设置的第二基板，在第一基板与第二基板相向面的中部对称设有反射层，在第一基板与第二基板两端部相向的两个面上分别设有相互对称的控制电极；第二基板上与控制电极相对的一面通过弹簧与所述壳体固定连接，并且通过电信号控制控制电极以实现第二基板位置的可控调节。
为克服电磁等干扰以使得热释电敏感单元接收到的信号更加准确，本发明还包括设置于反射层表面的抗干扰金属网栅。
进一步地，本发明F-P腔薄膜滤光器的腔长在0.5μm～10μm范围内连续可调。
本发明有益效果如下：
本发明的高精度红外多气体检测装置结构设计合理，通过参考气室与吸收气室输出信号的对比分析，从而获得更为精准的检测结果，此外参考气室的存在可以降低外界因素干扰；通过集成于热释电敏感单元的滤光器能够避免特定波段测量下其余波段光的干扰，为了达到更良好的效果，滤光器内增加有抗干扰金属网栅来屏蔽电磁等干扰；此外还设置能够发出宽光谱且具有步进式工作模式和扫描工作模式的红外光源，滤光器采用可变腔长技术协同光源发出的红外波长实现控制透射至热释电敏感单元进行检测的选通波长，进而实现单一装置进行多种气体的高精度检测；吸收气室内设置可通过光程部件合理调节的多个凹面镜实现光程调节，以满足不同气体在高检测精度下的浓度测量。
附图说明
图1为红外高精度多气体检测装置总体示意图；其中，101是红外光源，102是参考气室，103是第一可调腔长滤光器，104是分束器，105是第一热释电敏感单元，106是第一反射镜，107是进气口，1081是第二进光窗，1082是第二出光窗，109是光程调节部件，110是第二反射镜，111是出气口，112是第二可调腔长滤光器，113是吸收气室，114是第二热释电敏感单元。
图2为气体吸收室的结构示意图；其中，1081是第二进光窗，1082是第二出光窗，201是第一光程调节部件，202是容置腔，203是第二光程调节部件，204是第三光程调节部件，205是第一凹面反射镜，206是反射镜组(包括第二凹面反射镜和第三凹面发射镜)，207是底座。
图3为抗干扰可调腔长滤光器与释电敏感单元的位置及结构示意图；其中，301是弹簧，302是第二基板，303是上控制电极，304是金属网栅，305是可移动反射层，306是第三进光窗，307是固定反射层，308是第一基板，309是下控制电极，310是第三出光窗。
具体实施方式
结合以下附图对本发明的具体实施方式进行进一步阐述，此处实施例只用于说明本发明，但不用来限制本发明范围。
实施例1：
如图1所示，本发明提供一种高精度红外多气体检测装置，其光气路系统包括：红外光源101、分束器104、光学气室、可调腔长滤光器和热释电敏感单元；所述红外光源101设置在所述光学气室外侧，所述光学气室包括参考气室102和吸收气室113，所述参考气室102靠近红外光源101侧和相对远离光源侧分别设有第一进光窗和第一出光窗，所述吸收气室113靠近红外光源101侧间隔设有第二进光窗1081和第二出光窗1082，所述吸收气室113内设置有至少三个凹面镜和光程调节部件109，所述吸收气室113与所述参考气室102靠近红外光源101侧和相对远离红外光源101侧分别设有进气口107和出气口111；所述红外光源101仅为一个，可发出宽光谱激光并进行扫描式和窄带步进式工作，红外光源101发出的光经分束器104分为两束，其中一束进入参考气室102，并经过设于参考气室出气口的第一可调腔长滤光器103到达第一热释电单元105，另一束经过第一反射镜106反射后进入吸收气室113，并经过设于吸收气室第二出光窗1082射出并经第二反射镜110反射后经过第二可调腔长滤光器112到达第二热释电单元114，最终通过电路输出检测信号。
由于不同气体在不同检测精度下的光程是不同的，本实施例中吸收气室采用怀特池结构实现在一定吸收气室空间下调节光线的反射次数，进而调节光程，最终达到提高吸收气室灵敏度及测量结果精确度的要求；如图2所示，所述吸收气室113包括底座207及固定在底座207上的壳体，所述壳体与底座207间形成容纳凹面镜及光程调节部件109的容置腔202，凹面镜及光程调节部件109的设置具体如下：
第一凹面反射镜205，所述第一凹面反射镜205设置在所述吸收气室113内的第二进光窗1081和第二出光窗1082之间；
第二凹面反射镜与第三凹面反射镜形成反射镜组206关于所述第一凹面反射镜205的中心轴线对称设置，并且设于所述吸收气室的出气口111内侧的同一垂直面上；
第一凹面反射镜205、第二凹面反射镜和第三凹面反射镜曲率半径相同，三面凹面镜处于同一平面内，所述第一凹面反射镜205的曲率中心在所述第二凹面反射镜和所述第三凹面反射镜之间的中点处，所述第二凹面反射镜和第三凹面反射镜的曲率中心均在所述第一凹面反射镜205的凹面内。
具体而言，所述光程调节部件109包括如图2所示的第一光程部件201、第二光程部件203和第三光程部件204；第二光程部件203安装于第一光程部件201上调节第一凹面反射镜205与第二凹面反射镜或第三凹面反射镜所在垂直面的垂直距离，第三光程部件204安装于第二光程部件203上调节第二凹面反射镜和第三凹面反射镜的间距，第二光程部件203上第二凹面反射镜或第三凹面反射镜可沿其所在垂直面做一定角度的俯仰调节从而使得第二凹面反射镜或第三凹面反射镜的倾斜角度改变，使其曲率中心在第一凹面反射镜凹面上的位置发生改变，根据实际需要采取以上三种调节方式均能够改变光在三面反射镜之间总反射次数，进而达到改变光程的目的。
如图3所示，可调腔长滤光器为F-P腔薄膜滤光器，其结构包括壳体，其内部具有容纳空间，所述壳体靠近光学气室面和其相对面分别对应设有第三进光窗306和第三出光窗310；所述容纳空间内设置有固定于底座的第一基板308和与第一基板308隔离且对称设置的第二基板302，根据本领域技术人员的公知常识，所述基板的材质应为绝缘材质，通常采用硅基薄板，但不局限于硅基薄板，在第一基板308与第二基板302相向面的中部对称设有反射层，其中第一基板308上的反射层为固定反射层307，第二基板302上的反射层为可移动反射层305，为克服电磁等干扰以使得热释电敏感单元接收到的信号更加准确，本实施例在固定反射层307上设有金属网栅，上述金属网栅可实现光学透明且屏蔽电磁干扰(主要为MHz及GHz频段)，屏蔽效能可达30dB，并且在红外窗口电磁屏蔽的应用中，金属网栅对中、长波红外影响非常小(透过率≥95％)；在第一基板308与第二基板302相向面的两端部分别对称设有下控制电极309和上控制电极303，第二基板302相背于控制电极的一面通过弹簧301与壳体固定连接，并通过电信号控制上控制电极303，实现第二基板302位置的可控调节。
实施例2：
采用本发明实施例1所提供的高精度红外多气体检测装置进行特定环境的气体检测，主要分为以下两个部分：
一、气体分子种类检测：首先将待测气体由进气口107通入吸收气室113中，然后红外光源101使其以步进式工作模式连续发出窄带红外光，经分束器104分光后，一束光进入参考气室102，另一束光经反射镜106反射进入吸收气室113；其中第一光程部件201，第二光程部件203和第三光程部件204共同构成光程调节部件109，反射镜组206设置于第二光程部件203上，第二凹面反射镜和第三凹面反射镜的中点分别为B1和B2，通过调节第二光程部件203在第一光程部件201上的水平位置、第二凹面反射镜或第三凹面反射镜的倾斜角度以及第二凹面反射镜中点B1与第三凹面反射镜中点B2的间距d，可以改变红外光在第一凹面反射镜205与反射镜组206之间的反射次数以及单光程长度，从而改变光在吸收气室113中的总光程，使光程满足各气体达到饱和吸收所需要求；通过参考气室102和吸收气室113后的红外光分别射入到与之相对应的第一可调腔长滤光器105与第二可调腔长滤光器114中，上述红外光通过第三进光窗306进入可调腔长滤光器中，通过调节可移动反射层305与固定反射层之间距离307实现特定范围波长通过第三出光窗310透射至相应热释电敏感单元，并由该敏感单元响应并输出其响应值。
具体而言，为屏蔽外界电磁信号等干扰，可在固定反射层307制作金属网栅304来降低外界因素干扰；本发明可变腔长滤光器为现有技术，其实质是一个可变腔长的F-P腔，通过电信号控制F-P腔的腔长变化，进而腔长的变化就会引起透过F-P腔的光波波长的改变。本实施例中可移动反射层305的位置移动由上控制电极303与下控制电极309间静电力及弹簧301的弹力共同控制，当红外光源101发射窄带红外光时，根据现有滤光器可调腔长将有与该窄带红外光对应的一个电压信号作用于上控制电极303上，此时上控制电极303与下控制309之间的电压差改变，由于电极是设置在绝缘基板上的，通过弹簧301将第二基板302两端部的上控制电极303与壳体连接，在静电力和弹力的作用下导致可移动反射层与固定反射层之间距离发生改变，即F-P腔的腔长发生变化。因此，通过电信号连续调节滤光器，使其选通与红外光源101发出的窄带波长一致的红外光透射至热释电敏感单元，由该敏感单元读出并记录其响应，然后利用第一热释电敏感单元105和第二热释电敏感单元114的响应值对比还原出被测气体吸收光谱，结合气体红外吸收光谱特征，与标准库进行对比即可确定被测气体分子种类。
二、气体分子浓度检测：红外光源101以扫描工作模式发出红外光，经分束器104(分数比为m：1)分束后，分别进入吸收气室102和参考气室113，吸收气室113的出射光能量为P1，参考气室102的出射光能量为P2，经过第一热释电敏感单元105产生响应电压V2和第二热释电敏感单元114产生响应电压V1分别如下：
V2＝P2Rv (1)
V1＝kP1Rve-aCL， (2)
其中，公式(2)中k为光能损耗系数，Rv为热释电敏感单元电压响应率，a为气体吸收系数，C为气体浓度，L为有效光程长度。
经过系数校正后，在无吸收特征气体下可得能量关系如下：P1＝mkP2，因此当吸收气室和参考气室通入宽光谱红外光之后可得由此可得结合热释电敏感单元比探测率D*和电压分辨率VN可得气体分子最小分辨浓度从该式可得出当V2取得最大值时Cmin达到最小，即分辨率最高。
本实施例高精度检测CO，NO2和NH3混合气体各气体分子浓度，红外光源具体为量子级联激光器，可发出0.6～3.3μm波长范围的红外光；吸收气室总光程长度0.8～10m可调；滤光器的腔长在0.6～3.3μm范围内连续可调；热释电敏感单元比探测率D*为VN为典型值75μV。当混合气体经过分子种类检测流程后，我们确定混合气体中含有CO分子，NO2分子和NH3分子。由标准库可知这三种气体的吸收系数a分别为3.1107/cm，16090.5/cm和4.7244/cm，此时考虑到三种气体分子都需达到饱和吸收，则应调节吸收气室总光程长度为5.5m，经检测得到热释电敏感单元105的响应电压为4.5V，通过气体浓度检测原理中的公式可以计算出这三种气体的cmin理论值分别为9.741×10-9，1.896×10-12和6.414×10-9，均远低于0.01ppm，达到当下国内外顶尖气体检测装置浓度分辨率标准，综上所述可以表明本发明具有极高的浓度检测精度。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，并不用与限制本发明。凡在本发明的申请范围内所做的任何修改，等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高精度红外多气体检测装置，其特征在于，其光气路系统包括：光源、分光器件、光学气室、可调腔长滤光器和热释电敏感单元；所述光源设置在所述光学气室外侧，所述光学气室包括参考气室和吸收气室，所述吸收气室与所述参考气室靠近光源侧和相对远离光源侧分别设有进气口和出气口，所述参考气室靠近光源侧和相对远离光源侧分别设有第一进光窗和第一出光窗，所述吸收气室靠近光源侧间隔设有第二进光窗和第二出光窗，所述吸收气室内设置有至少三个凹面反射镜和光程调节部件；所述光源仅为一个，可发出宽光谱激光并进行扫描式和窄带步进式工作，光源发出的光经分光器件分为两束后分别进入参考气室和吸收气室，其中一束经过设于参考气室出气口的第一可调腔长滤光器到达第一热释电单元，另一束经过吸收气室的第二出光窗射出后经过第二可调腔长滤光器到达第二热释电单元，最终通过电路输出相应的参考信号和检测信号。
2.根据权利要求1所述的一种高精度红外多气体检测装置，其特征在于，所述吸收气室包括底座及固定在底座上的壳体，所述壳体与底座间形成容纳凹面反射镜及光程调节部件的容置腔，凹面反射镜及光程调节部件的设置具体如下：
第一凹面反射镜，所述第一凹面反射镜设置在所述吸收气室内，并位于第二进光窗和第二出光窗之间；
第二凹面反射镜与第三凹面反射镜关于所述第一凹面反射镜的中心轴线对称设置，并且设于所述吸收气室出气口内侧的同一垂直面上；
第一凹面反射镜、第二凹面反射镜和第三凹面反射镜曲率半径相同，三面凹面反射镜处于同一平面内，所述第一凹面反射镜的曲率中心在所述第二凹面反射镜和所述第三凹面反射镜之间的中点处，所述第二凹面反射镜和第三凹面反射镜的曲率中心均在所述第一凹面反射镜的凹面内。
3.根据权利要求2所述的一种高精度红外多气体检测装置，其特征在于，所述光程调节部件调节第一凹面反射镜与第二凹面反射镜或第三凹面反射镜所在垂直面的垂直距离、第二凹面反射镜和第三凹面反射镜的间距以及第二凹面反射镜或第三凹面反射镜的倾斜角度。
4.根据权利要求1所述的一种高精度红外多气体检测装置，其特征在于，所述可调腔长滤光器为F-P腔薄膜滤光器，其结构包括壳体，其内部具有容纳空间，所述壳体靠近光学气室面和其相对面分别对应设有第三进光窗和第三出光窗；所述容纳空间内设置有固定于底座的第一基板和与第一基板隔离且对称设置的第二基板，第一基板与第二基板的中部相向的两个面对称设有反射层，并且第一基板与第二基板的两端部相向的两个面上分别设有相互对称的控制电极，第二基板上与控制电极相对的一面通过弹簧与所述壳体固定连接，并通过电信号作用于控制电极以实现第二基板位置的可控调节。
5.根据权利要求4所述的一种高精度红外多气体检测装置，其特征在于，还包括设置于第一基板反射层表面的抗干扰金属网栅。
6.根据权利要求4或5所述的一种高精度红外多气体检测装置，其特征在于，F-P腔薄膜滤光器的腔长在0.5μm～10μm范围内连续可调。
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