CN106769735A - 一种粉尘浓度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种粉尘浓度测量装置。该粉尘浓度测量装置包括激光输入单元、粉尘浓度测量单元和激光输出检测单元，其中激光输入单元包括激光器、输入光纤、分束器和输入准直器；粉尘浓度测量单元包括多对全反射平面；激光输出检测单元包括输出准直器、输出光纤和光电探测器；由激光器发射经输入光纤传输至分束器分束后的激光分别通过输入准直器进入粉尘浓度测量单元，并分别经各对全反射平面反射，之后分别通过输出准直器经输出光纤传输至光电探测器，并且各对全反射平面之间的距离不相等。采用全反射平面镜将测量光场进行多次反射，延长测量光路的长度；采用双光路差分测量方法，消除了传感器的系统误差以及矿用光学器件表面落尘误差等问题。
Description
技术领域
本发明涉及浓度测量领域，尤其涉及一种粉尘浓度测量装置。
背景技术
粉尘浓度的测量方法主要包括光学分析法与非光学分析法。非光学分析法由于检测设备响应速度慢、处理复杂，难以对粉尘浓度进行实时监测。例如现有的化学反应式粉尘浓度传感器，需要对空气粉尘进行采集处理，具有测量时延差，无法进行实时测量。而电式粉尘浓度测量装置安全性较差，当矿井粉尘浓度过高时，轻微的电火花会引发矿井爆炸的风险。
基于光学分析的粉尘浓度测量技术具有探测灵敏度高、选择性强、响应速度快等特点，适合现场实时监测，且成本较低，是以后粉尘浓度测量的理想方法。但是现有的手持粉尘浓度测量装置必须要求操作人员在现场进行测量，而在类似于煤矿矿井粉尘浓度高的环境中，操作人员在测量时必须做好防尘措施，否则会损伤呼吸道，影响健康。另外，由于测量仪器位于高粉尘区域，长时间使用后仪器表面或仪器内必定粉尘沉积，会影响测量精度。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种安全性好、精度高、能够实现远程实时测量的粉尘浓度测量装置。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种粉尘浓度测量装置，包括激光输入单元、粉尘浓度测量单元和激光输出检测单元，其中：所述激光输入单元包括激光器、输入光纤、分束器和输入准直器；所述粉尘浓度测量单元包括多对全反射平面；所述激光输出检测单元包括输出准直器、输出光纤和光电探测器；由所述激光器发射经所述输入光纤传输至所述分束器分束后的激光分别通过所述输入准直器进入所述粉尘浓度测量单元，并分别经各对全反射平面反射，之后分别通过所述输出准直器经输出光纤传输至所述光电探测器，并且其中，各对全反射平面之间的距离不相等。
进一步的，所述分束器将所述激光分成两束光强相同且相互平行的第一测量光和第二测量光；所述输入准直器包括第一输入准直器和第二输入准直器；所述粉尘浓度测量单元包括第一全反射平面镜、第二全反射平面镜和第三全反射平面镜，其中所述第一全反射平面镜与所述第二全反射平面镜构成第一对全反射平面，所述第一全反射平面镜与所述第三全反射平面镜构成第二对全反射平面；所述输出准直器包括第一输出准直器和第二输出准直器；所述输出光纤包括第一输出光纤和第二输出光纤；所述光电探测器包括第一光电探测器和第二光电探测器；所述第一测量光在通过所述第一输入准直器后经过在所述第一全反射平面镜和所述第二全反射平面镜之间的多次反射，然后通过所述第一输出准直器经第一输出光纤传输至所述第一光电探测器；所述第二测量光在通过所述第二输入准直器后经过在所述第一全反射平面镜和所述第三全反射平面镜之间的多次反射，然后通过所述第二输出准直器经第二输出光纤传输至所述第二光电探测器。
进一步的，所述第一测量光在所述第一全反射平面镜与所述第二全反射平面镜之间进行多次反射，所述第二测量光在所述第一全反射平面镜与所述第三全反射平面镜之间进行多次反射，并且所述第一测量光与所述第二测量光的反射次数相同。
进一步的，粉尘浓度测量装置还包括第一单透镜整形器和第二单透镜整形器，从所述第一输入准直器输出的第一测量光在经过所述第一单透镜整形器之后再进入所述粉尘浓度测量单元，从所述第二输入准直器输出的第二测量光在经过所述第二单透镜整形器之后再进入所述粉尘浓度测量单元。
进一步的，所述第一全反射平面镜、所述第二全反射平面镜与所述第三全反射平面镜平行设置，其中：所述第二全反射平面镜与所述第三全反射平面镜相连成整体，构成台阶结构；所述第一全反射平面镜位于所述第二全反射平面镜与所述第三全反射平面镜上方，并通过连杆与由所述第二全反射平面镜和所述第三全反射平面镜构成的台阶结构固定连接。
进一步的，所述第一输入准直器和所述第二输入准直器相互平行且倾斜地嵌入所述第一全反射平面镜一端的上表面。
进一步的，所述第一单透镜整形器对应所述第一输入准直器嵌入在所述第一全反射平面镜的下表面；所述第二单透镜整形器对应所述第二输入准直器嵌入在所述第一全反射平面镜的下表面。
进一步的，所述第一输入准直器与所述第一单透镜整形器位于同一直线上，所述第一输入准直器与所述第一全反射平面镜保持90°-180°的安装角度；所述第二输入准直器与所述第二单透镜整形器位于同一直线上，所述第二输入准直器与所述第一全反射平面镜保持90°-180°的安装角度。
进一步的，所述第一输出准直器位于所述第一全反射平面镜另一端，倾斜地贯穿所述第一全反射平面镜且倾斜角度同所述第一输入准直器与所述第一全反射平面镜所成的角度互补；所述第二输出准直器位于所述第一全反射平面镜另一端，倾斜地贯穿所述第一全反射平面镜且倾斜角度同所述第二输入准直器与所述第一全反射平面镜所成的角度互补。
进一步的，所述激光器远离所述粉尘浓度测量单元，所述光电探测器远离所述粉尘浓度测量单元。
本发明的一种粉尘浓度测量装置，具有以下有益效果：
1、利用测量区空气中粉尘颗粒对于光信号的传输损耗进行测量，传感区为纯光路系统设计，具有绝对安全的优点；
2、测量过程以光速进行，不存在时延问题，可达到实时测量效果；
3、采用光学扩束系统对光纤输出的激光进行扩束，可以提高测量区域截面积，其测量结果将对较大空间中粉尘浓度的平均参量进行反映；
4、采用双光路差分测量方法，消除了传感器的系统误差以及矿用光学器件表面落尘误差等问题，做到仅对被测路径上的粉尘浓度进行实时监测与测量的目的，提高了测量精度；
5、采用全反射平面镜将测量光场进行多次反射，延长测量光路的长度，其测量结果可以反映大空间范围的粉尘浓度分布情况；
6、利用单透镜整形器对准直器的输出光进行能量平均化处理，使得对于粉尘浓度的测量在均匀分布的光场下进行，可改善测量空间范围内粉尘浓度的非均匀分布问题对测量结果的不利影响；
7、本发明的粉尘浓度测量装置，易于在矿井环境现有光纤传输系统上嫁接使用，并利用现有传输系统进行远距离传输，因此可实现远程监测。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明的粉尘浓度测量装置的结构示意图；
图中：1-激光器，2-输入光纤，3-分束器，41-第一输入准直器，42-第二输入准直器，51-第一输出准直器，52-第二输出准直器，61-第一输出光纤，62-第二输出光纤，71-第一光电探测器，72-第二光电探测器，81-第一单透镜整形器，82-第二单透镜整形器，91-第一全反射平面镜，92-第二全反射平面镜，93-第三全反射平面镜。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，为本发明的一种粉尘浓度测量装置，该粉尘浓度测量装置包括激光输入单元、粉尘浓度测量单元和激光输出检测单元，其中：激光输入单元包括激光器1、输入光纤2、分束器3和输入准直器；粉尘浓度测量单元包括多对全反射平面；激光输出检测单元包括输出准直器、输出光纤和光电探测器；由激光器发射经输入光纤传输至分束器分束后的激光分别通过输入准直器进入粉尘浓度测量单元，并分别经各对全反射平面反射，之后分别通过输出准直器经输出光纤传输至光电探测器，并且其中，各对全反射平面之间的距离不相等。
具体的，在本发明的一些实施例中，如图1所示，分束器3将激光分成两束光强相同且相互平行的第一测量光和第二测量光；输入准直器包括第一输入准直器41和第二输入准直器42；粉尘浓度测量单元包括第一全反射平面镜91、第二全反射平面镜92和第三全反射平面镜93，其中第一全反射平面镜91与第二全反射平面镜92构成第一对全反射平面，第一全反射平面镜91与第三全反射平面镜93构成第二对全反射平面；输出准直器包括第一输出准直器51和第二输出准直器52；输出光纤包括第一输出光纤61和第二输出光纤62；光电探测器包括第一光电探测器71和第二光电探测器72；第一测量光在通过第一输入准直器41后经过在第一全反射平面镜91和第二全反射平面镜92之间反射，然后通过第一输出准直器51经第一输出光纤61传输至第一光电探测器71；第二测量光在通过第二输入准直器42后经过在第一全反射平面镜91和第三全反射平面镜93之间反射，然后通过第二输出准直器52经第二输出光纤62传输至第二光电探测器72。
因激光器1发出的激光一般近似认为是平行光，激光在进入传输光纤2传输之前，可先通过耦合器聚焦，光纤接收激光器1的光，光纤端面一般会放在耦合器的聚焦焦点处；光纤将激光传输至分束器后分成两束完全相同的测量光，之后分别通过输入准直器进行扩束。另外，衰减后的光信号通过输出准直器传输至输出光纤传送，输出准直器与输入准直器反向设置，起到缩束的作用，而经输出光纤传输的光在进入光电探测器进行光电转换之前，可通过耦合器将光转换成平行光，这是由于光纤输出光存在自聚焦现象，而探测器的分辨率一般不会很高。
本发明的粉尘浓度测量单元采用纯光路系统设计，利用空气中粉尘颗粒对于光信号的传输损耗进行测量，具有绝对安全的优点；测量过程以光速进行，不存在时延的问题，可达到实时测量的效果；通过输入准直器中光学扩束系统对激光进行扩束，可以提高测量区域截面积，其测量结果将对较大空间中粉尘浓度的平均参量进行反映；扩束后的激光分别经各对全反射平面反射，延长了测量光路的长度，同时其测量结果可以反映大空间范围的粉尘浓度分布情况。
具体的，在本发明的一些实施例中，如图1所示，第一测量光在第一全反射平面镜91与第二全反射平面镜92之间进行多次反射，第二测量光在第一全反射平面镜91与第三全反射平面镜93之间进行多次反射，并且第一测量光与第二测量光的反射次数相同。通过第一测量光和第二测量光的设计来实现双光路差分测量方法，消除了传感器的系统误差以及矿用光学器件表面落尘误差等问题，做到仅对被测路径上的粉尘浓度进行实时监测与测量的目的。并且两束测量光经过多次反射，大大延长了测量光路的长度，使得测量结果可以反映大空间范围的粉尘浓度分布情况。同时两束测量光反射次数相同也确保了二者传输过程中的损耗一致。
具体的，在本发明的一些实施例中，如图1所示，该粉尘浓度测量装置还包括第一单透镜整形器81和第二单透镜整形器82，从第一输入准直器41输出的第一测量光在经过第一单透镜整形器81之后再进入粉尘浓度测量单元，从第二输入准直器42输出的第二测量光在经过第二单透镜整形器82之后再进入粉尘浓度测量单元。利用单透镜整形器对准直器的输出光进行能量平均化处理，可以使得对于粉尘浓度的测量在均匀分布的光场下进行，可改善测量空间范围内粉尘浓度的非均匀分布问题对测量结果的不利影响。
具体的，在本发明的一些实施例中，如图1所示，第一全反射平面镜91、第二全反射平面镜92与第三全反射平面镜93平行设置，其中：第二全反射平面镜92与第三全反射平面镜93相连成整体，构成台阶结构；第一全反射平面镜91位于第二全反射平面镜92与第三全反射平面镜93上方，并通过连杆与由第二全反射平面镜92和第三全反射平面镜93构成的台阶结构固定连接。台阶结构保证第一测量光在第一全反射平面镜91和第二全反射平面镜92之间的反射路线长度与第二测量光在第一全反射平面镜91与第三全反射平面镜93之间的反射路线长度不同，从而实现差分测量。此外，可以根据第一全反射平面镜91分别与第二全反射平面镜92和第三全反射平面镜93之间的距离来设计第一输入准直器41与第一输出准直器51之间的距离以及第二输入准直器42与第二输出准直器52之间的距离，从而保证第一测量光与第二测量光在测量单元中反射次数相同。
具体的，在本发明的一些实施例中，如图1所示，第一输入准直器41和第二输入准直器42相互平行且倾斜地嵌入第一全反射平面镜91一端的上表面。倾斜的嵌入可使两束测量光在进入全反射平面镜后可以进行多次反射。
具体的，在本发明的一些实施例中，如图1所示，第一单透镜整形器81对应第一输入准直器41嵌入在第一全反射平面镜91的下表面；第二单透镜整形器82对应第二输入准直器42嵌入在第一全反射平面镜91的下表面。单透镜整形器与输入准直器对应嵌入放置，能够保证激光在单透镜整形器与输入准直器之间直线传输，并使单透镜整形器将输入准直器的输出光进行能量平均化处理。
具体的，在本发明的一些实施例中，如图1所示，第一输入准直器41与第一单透镜整形器81位于同一直线上，第一输入准直器41与第一全反射平面镜91保持90°-180°的安装角度；第二输入准直器42与第二单透镜整形器82位于同一直线上，第二输入准直器42与第一全反射平面镜91保持90°-180°的安装角度。输入准直器位于全反射平面镜的一端，90°-180°的安装角度可以保证激光进入测量单元后向全反射平面镜的另一端反射。
具体的，在本发明的一些实施例中，如图1所示，第一输出准直器51位于第一全反射平面镜91另一端，倾斜地贯穿第一全反射平面镜91且倾斜角度同第一输入准直器41与第一全反射平面镜91所成的角度互补；第二输出准直器52位于第一全反射平面镜91另一端，倾斜地贯穿第一全反射平面镜91且倾斜角度同第二输入准直器42与第一全反射平面镜91所成的角度互补。经多次反射后的激光需通过输出准直器进入输出光纤，倾斜角度互补可保证光纤的顺利进入，同时输出准直器与输入准直器反向。
具体的，在本发明的一些实施例中，如图1所示，激光器1远离粉尘浓度测量单元，光电探测器远离粉尘浓度测量单元。这样通过光纤对激光进行远距离传输，可以将测量信息远距离传送给地面工作站，进行数据分析和处理等，因此解决了必须在现场进行测量的问题。同时也可以在矿井环境现有的光纤传输系统上嫁接使用，并利用现有传输系统进行远距离传输，由此实现远程检测。
本发明的粉尘浓度测量装置的工作原理为：在粉尘浓度测量单元，考虑到第一全反射平面镜91、第二全反射平面镜92分别与第三全反射平面镜93之间的距离不同，通过第一输出准直器51与第一输入准直器41之间的距离，以及第二输出准直器52与第二输入准直器42之间的距离的设计，可以使第一输入准直器41的第一测量光到达第一输出准直器51时，与第二输入准直器42的第二测量光到达第二输出准直器52时具有相同的折返传递次数。因此，第一全反射平面镜91、第二全反射平面镜92以及第三全反射平面镜93对两路光将产生相同的传输损耗。但是，由于第一全反射平面镜91与第二全反射平面镜92的距离不同于第一全反射平面镜91与第三全反射平面镜93的距离，因此使得两束测量光在第一全反射平面镜91与第二全反射平面镜92之间以及在第一全反射平面镜91与第三全反射平面镜93之间多次折返传递时总的光路长度不同，此光路长度即为被测光路长度。
假定第一被测光路的总的长度为l1，第二被测光路的总的长度为l2；第一测量光衰减前的光强为I，第二测量光衰减前的光强为I；第一测量光经衰减后的探测光强为I1，第二测量光经衰减后的探测光强为I2；第一测量光经过除第一被测光路之外的所有元器件的总的损耗为β，在第一传输光路与第二传输光路中的所有元器件结构与特性均相同的条件下，则第二测量光经过除第二被测光路之外的所有元器件的总的损耗也为β。若认为与粉尘浓度相关的空气衰减系数为α，按照光的光束损耗理论，应有如下的公式：
计算可得
由此可见，对于空气衰减系数α的计算，只取决于被测光路长度l1与l2的差值、以及探测光强I1与I2的测量值，与各个光路的传输损耗β无关。由于一定的粉尘浓度对应着一定的空气衰减系数，实际中可通过标准试验方法确定粉尘浓度与空气衰减系数α的关系，以对实际现场粉尘浓度的测量提供参考依据。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。
Claims (10)
1.一种粉尘浓度测量装置，其特征在于，包括激光输入单元、粉尘浓度测量单元和激光输出检测单元，其中：
所述激光输入单元包括激光器、输入光纤、分束器和输入准直器；
所述粉尘浓度测量单元包括多对全反射平面；
所述激光输出检测单元包括输出准直器、输出光纤和光电探测器；
由所述激光器发射经所述输入光纤传输至所述分束器分束后的激光分别通过所述输入准直器进入所述粉尘浓度测量单元，并分别经各对全反射平面反射，之后分别通过所述输出准直器经输出光纤传输至所述光电探测器，并且其中，各对全反射平面之间的距离不相等。
2.如权利要求1所述的粉尘浓度测量装置，其特征在于：
所述分束器将所述激光分成两束光强相同且相互平行的第一测量光和第二测量光；
所述输入准直器包括第一输入准直器和第二输入准直器；
所述粉尘浓度测量单元包括第一全反射平面镜、第二全反射平面镜和第三全反射平面镜，其中所述第一全反射平面镜与所述第二全反射平面镜构成第一对全反射平面，所述第一全反射平面镜与所述第三全反射平面镜构成第二对全反射平面；
所述输出准直器包括第一输出准直器和第二输出准直器；
所述输出光纤包括第一输出光纤和第二输出光纤；
所述光电探测器包括第一光电探测器和第二光电探测器；
所述第一测量光在通过所述第一输入准直器后经过在所述第一全反射平面镜和所述第二全反射平面镜之间的多次反射，然后通过所述第一输出准直器经第一输出光纤传输至所述第一光电探测器；
所述第二测量光在通过所述第二输入准直器后经过在所述第一全反射平面镜和所述第三全反射平面镜之间的多次反射，然后通过所述第二输出准直器经第二输出光纤传输至所述第二光电探测器。
3.如权利要求2所述的粉尘浓度测量装置，其特征在于，所述第一测量光在所述第一全反射平面镜与所述第二全反射平面镜之间进行多次反射，所述第二测量光在所述第一全反射平面镜与所述第三全反射平面镜之间进行多次反射，并且所述第一测量光与所述第二测量光的反射次数相同。
4.如权利要求2所述的粉尘浓度测量装置，其特征在于，还包括第一单透镜整形器和第二单透镜整形器，从所述第一输入准直器输出的第一测量光在经过所述第一单透镜整形器之后再进入所述粉尘浓度测量单元，从所述第二输入准直器输出的第二测量光在经过所述第二单透镜整形器之后再进入所述粉尘浓度测量单元。
5.如权利要求4所述的粉尘浓度测量装置，其特征在于，所述第一全反射平面镜、所述第二全反射平面镜与所述第三全反射平面镜平行设置，其中：
所述第二全反射平面镜与所述第三全反射平面镜相连成整体，构成台阶结构；
所述第一全反射平面镜位于所述第二全反射平面镜与所述第三全反射平面镜上方，并通过连杆与由所述第二全反射平面镜和所述第三全反射平面镜构成的台阶结构固定连接。
6.如权利要求5所述的粉尘浓度测量装置，其特征在于，所述第一输入准直器和所述第二输入准直器相互平行且倾斜地嵌入所述第一全反射平面镜一端的上表面。
7.如权利要求6所述的粉尘浓度测量装置，其特征在于：
所述第一单透镜整形器对应所述第一输入准直器嵌入在所述第一全反射平面镜的下表面；
所述第二单透镜整形器对应所述第二输入准直器嵌入在所述第一全反射平面镜的下表面。
8.如权利要求7所述的粉尘浓度测量装置，其特征在于：
所述第一输入准直器与所述第一单透镜整形器位于同一直线上，所述第一输入准直器与所述第一全反射平面镜保持90°-180°的安装角度；
所述第二输入准直器与所述第二单透镜整形器位于同一直线上，所述第二输入准直器与所述第一全反射平面镜保持90°-180°的安装角度。
9.如权利要求6所述的粉尘浓度测量装置，其特征在于：
所述第一输出准直器位于所述第一全反射平面镜另一端，倾斜地贯穿所述第一全反射平面镜且倾斜角度同所述第一输入准直器与所述第一全反射平面镜所成的角度互补；
所述第二输出准直器位于所述第一全反射平面镜另一端，倾斜地贯穿所述第一全反射平面镜且倾斜角度同所述第二输入准直器与所述第一全反射平面镜所成的角度互补。
10.如权利要求1所述的粉尘浓度测量装置，其特征在于，所述激光器远离所述粉尘浓度测量单元，所述光电探测器远离所述粉尘浓度测量单元。
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