CN106770021A - 一种用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池，包括：前套筒、后套筒、分别置于前后套筒上的进出气嘴；所述前套筒的末端与套头相连，光发射组件置于所述套头上，温度传感器置于所述套头上用于温度补偿，光电转换前置放大电路置于所述套头上，光接收元件置于所述光电转换前置放大电路上；所述后套筒的末端安置角锥棱镜和棱镜压圈，所述角锥棱镜用于反射激光，使气体吸收光程增加一倍，提高气体测量系统检测灵敏度。该气体池的光发射组件易于调节，输出激光的光斑小、准直性高，具有较高的稳定性，可应用于光学式气体检测装置和仪器。

Description

一种用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，涉及一种用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池，特别是涉及一种可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)气体检测技术的气体池。
背景技术
随着科学技术的不断发展，在工业、矿井、环境、交通、航空航天等领域越来越多的涉及到气体检测，尤其是大气环境污染、化工行业的生产过程、以及航空航天的特殊需求，日益受到广泛的关注。
在众多的气体检测技术中，TDLAS气体检测技术凭借其优良的特性，被大量应用于环境监测、化工生产管路、航空航天等领域。
目前，在TDLAS气体检测中，气体池光源多采用光纤输出的激光器，该种激光器增加了空间光向光纤的耦合工艺，造成了光功率的损失，降低了气体检测效率，同时增加了成本；而个别采用空间光输出的气体池，在光发射端并未采用相应的调节措施，致使气体吸收光程短，检测灵敏度低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池，该气体池实现了空间光输出激光器的安装与调节，可增强气体池设计灵活性，提高气体池稳定性，增加气体吸收光程，显著提高气体检测灵敏度。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池，其特征在于：包括后套筒、前套筒、出气嘴、进气嘴、角锥棱镜、套头、准直套筒、光电前置放大电路印制板、光电探测器、温度传感器和光发射单元，其中后套筒的一端与前套筒的一端固定连接，出气嘴和进气嘴分别设置在后套筒或前套筒上，被测气体从进气嘴进入气体池，从出气嘴排出，后套筒的另一端安装角锥棱镜，套头连接固定在前套筒的另一端，光发射单元和温度传感器均安装在在套头上，光电探测器固定安装在光电前置放大电路印制板上，光电前置放大电路印制板固定安装在套头上。
在上述用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池中，所述温度传感器用于测量气体池内部的温度，所述光反射单元发出的光经过角锥棱镜反射后，经气体池内的被测气体吸收后，入射到光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号，光电前置放大电路印制板将所述电信号放大后向外输出。
在上述用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池中，所述光反射单元包括准直套筒、激光器、激光器散热块、激光器压圈和非球面准直透镜，所述激光器放置在准直套筒中，激光器的引脚端放置激光器散热块，所述激光器压圈将准直套筒、激光器和激光器散热块压紧，准直套筒的另一端安装非球面准直透镜，通过调节非球面准直透镜与激光器发射面的距离，调节输出激光的准直距离和光斑直径。
在上述用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池中，所述激光器散热块的材料为铜；通过非球面准直透镜的细牙螺纹调节与激光器发射面的距离，使输出激光的准直距离为1m～20m，光斑直径小于2mm。
在上述用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池中，还包括光发射单元的调节机构，用于气体池内的光路调节，使输出激光经过角锥棱镜反射后到达光电探测器的光敏面。
在上述用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池中，所述光发射单元的调节机构为设置在套头上的5个调节螺钉，对光发射单元进行紧固和调节，其中调节螺钉调整光发射单元的相对位置，对输出光的方向进行粗调，调节螺钉调节输出光的俯仰角度，用于对输出光的方向进行细调。
在上述用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池中，所述调节螺钉以光发射单元安装孔的中心轴呈120°均匀分布。
在上述用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池中，还包括棱镜压圈，用于紧固安装在后套筒另一端的角锥棱镜。
在上述用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池中，还包括印制板垫圈，将光电探测器焊装于光电前置放大电路印制板上，通过印制板垫圈调节印制板的高度，所述印制板垫圈的材料为聚四氟乙烯。
在上述用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池中，所述温度传感器焊接在光电前置放大电路印制板上，所述激光器和光电探测器采用焊接短线的方式连接在光电前置放大电路印制板上。
在上述用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池中，所述套头上光电探测器的安装位置，增加了喇叭状的开口，喇叭状开口的硬铝表面进行抛光，要求表面粗糙度优于0.8。
在上述用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池中，所述激光器采用TO510封装，所述光电探测器采用TO5封装。
在上述用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池中，气体池中除激光器散热块外，其他金属结构件均为硬铝，且结构件表面均进行了绝缘黑色阳极化处理，以减少杂散光对光电探测器的影响。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、本发明与以往气体池相比，直接对空间光输出的激光器进行调节，光束质量高，并通过光学棱镜发射，可应用于长尺寸的气体池；本发明抗干扰能力强，气体检测灵敏度高；同时本发明集成化高，将光源、探测器、前置放大电路板均集成在气体池上，可作为一个整体的模块单独调试和使用；
(2)、本发明设计的气体池直接使用空间光输出的激光器，设计了有效的光束调节装置，使输出激光准直距离长，光斑尺寸小，同时可调节激光出射方向，用于匹配不同长度的气体池。该设计增加了气体池的灵活性，可有效提高气体检测的灵敏度；
(3)、本发明中气体池主体采用分段设计，分别由前后套筒组装而成，该设计降低了机加难度，增加了气体池长度设计的灵活性，可依据实际测量需求灵活调整气体池前后套筒的长度，实现测量需求。
(4)、本发明依据角锥棱镜的光学特性，将套头上的发光位置和探测位置相对于中心对称。同时在发光位置设置5个调节螺钉对光发射单元进行紧固和调节，其中三个调节螺钉调整光发射单元的相对位置，对输出光的方向进行粗调，另外两个调节螺钉调节激光输出的俯仰角度，用于对输出光方向的细调，在调节螺钉的调节过程中要有序调节，边调节边紧固，最终完成光路的精确调整。
(5)、本发明光发射单元中，在激光器的主要散热面增加了用于导热的散热铜块，减少了激光器温控调节负荷，增加了激光器稳定性。
(6)、在经济效益方面，本发明专利可广泛应用于光学式气体检测的仪器设备，当前，气体测量的需求日益增加，而该发明具备的种种优点具有很广阔的应用前景，具有广泛的社会效益。
(7)、本发明克服了市售空间光输出的各类激光器，其发散角、出光光轴方向均有不同程度的差别，兼容了各类激光器，可对其进行有效调节，使各类激光器均可应用于本发明中。
附图说明
图1为本发明空间光反射式气体池结构示意图；
图2为本发明空间光反射式气体池剖面图1(图1中A-A向剖视图)；
图3为本发明空间光反射式气体池剖面图2(图1中B-B向剖视图)；
图4为本发明空间光反射式气体池局部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为本发明空间光反射式气体池结构示意图，本发明空间光反射式气体池包括后套筒1、前套筒2、出气嘴3、进气嘴4、角锥棱镜5、棱镜压圈6、套头7、光电前置放大电路印制板13、光电探测器14、印制板垫圈15、紧固螺钉21、温度传感器22、光发射单元和光发射单元的调节机构。
其中后套筒1的一端与前套筒2的一端通过螺纹连接紧固，出气嘴3通过螺纹连接紧固于后套筒1上，进气嘴4通过螺纹连接紧固于前套筒2上，被测气体从进气嘴4进入气体池，从出气嘴3排出，后套筒1的另一端安装角锥棱镜5，并用棱镜压圈6紧固。套头7连接固定在前套筒2的另一端，光发射单元和温度传感器22均安装在在套头7上，光电探测器14固定安装在光电前置放大电路印制板13上，光电前置放大电路印制板13固定安装在套头7上。温度传感器22用于测量气体池内部的温度，所述光反射单元发出的光经过角锥棱镜5反射后，经气体池内的被测气体吸收后，入射到光电探测器14，光电探测器14将光信号转换为电信号，光电前置放大电路印制板13将所述电信号放大后向外输出。本发明实施例中前后套筒外径为37mm。
如图4所示为本发明空间光反射式气体池局部结构示意图，由图可知，本发明气体池的光反射单元包括准直套筒8、激光器9、激光器散热块10、激光器压圈11和非球面准直透镜12，本实施例中激光器9输出激光波长为760nm，采用TO510封装，放置在准直套筒8中，激光器9的引脚使用绝缘套管保护，在激光器9的引脚端放置激光器散热块10，激光器散热块10的材料为紫铜。激光器压圈11将准直套筒8、激光器9和激光器散热块10压紧，准直套筒8的另一端安装非球面准直透镜12，通过非球面准直透镜12的细牙螺纹调节与激光器9发射面的距离，可使输出激光的准直距离为1m～20m，光斑直径小于2mm。在本实施例中，气体池外形总长350mm，实际气体吸收光程为600mm。
如图2所示为本发明空间光反射式气体池剖面图1(图1中A-A向剖视图)；温度传感器22安装于套头7内侧，点胶固定，该温度传感器22用于测量气体池内部的温度，为气体检测处理提供温度补偿数据。
如图3所示为本发明空间光反射式气体池剖面图2(图1中B-B向剖视图)；本发明光发射单元的调节机构，用于气体池内的光路调节，使输出激光经过角锥棱镜5反射后到达光电探测器14的光敏面。光发射单元的调节机构为设置在套头7上的5个调节螺钉16、17、18、19、20，对光发射单元进行紧固和调节，其中调节螺钉16、17、18调整光发射单元的相对位置，对输出光的方向进行粗调，调节螺钉19、20调节输出光的俯仰角度，用于对输出光的方向进行细调。其中调节螺钉16、17、18以光发射单元安装孔30的中心轴呈120°均匀分布，在三个方向上使光发射单元均匀受力。
套头7通过螺纹连接紧固于前套筒2的末端，将上述光发射单元放置于套头7相应位置，通过调节螺钉16、17、18调节光发射单元的位置，如图3所示，视图上方的圆形孔30为光发射单元的安装位置。用控制设备为激光器9加电，通过调节螺钉19、20调节出射激光的俯仰角，使出射激光经过角锥棱镜5的反射后从图3下方的圆形孔中射出，该圆形孔用于匹配光电探测器14的安装，该光电探测器采用TO5封装。在调整调节螺钉时，不要一次性紧固到位，通过5个螺钉的相互关系，有序调节，边调整边紧固，最终使光发射单元固定于套头7上，完成光路的调节。
如图4所示，将光电探测器14焊装于光电前置放大电路印制板13上，通过印制板垫圈15调节印制板13的高度，印制板垫圈15的材料为聚四氟乙烯，使用紧固螺钉21将光电前置放大电路印制板13固定于套头7上。
温度传感器22直接焊接在光电前置放大电路印制板13上，激光器9和光电探测器14采用焊接短线的方式连接在光电前置放大电路印制板(13)上，以完成本实施例的调节与装配。
套头7上光电探测器14的安装位置，增加了喇叭状的开口，喇叭状开口的硬铝表面进行抛光，要求表面粗糙度优于0.8。
本实施例中，除激光器散热块10和标准件以外，其他金属结构件均为硬铝，且结构件表面均进行了绝缘黑色阳极化处理，以减少杂散光对光电探测器14的影响。
本发明空间光反射式气体池的工作原理为：
准直套筒8、激光器9、激光器散热块10、激光器压圈11和非球面准直透镜12构成气体池的光发射单元，调节非球面准直透镜12使激光器9输出准直光，通过调节光发射单元的调节机构，即五颗螺钉16、17、18、19、20，使激光器9输出的准直光经过角锥棱镜5的反射后，激光经过气体池内的被测气体吸收后，入射到光电探测器14，光电探测器14将光信号转换为电信号，光电前置放大电路印制板13将所述电信号放大后向外输出，用于后续信号处理，最终解算得到被测气体的气体浓度。被测气体通过气泵采样，由进气嘴4进入气体池，从出气嘴3排出。
本发明公开的一种用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池，基于Lambert-Beer光谱吸收定律，应用于光谱吸收式的气体检测，尤其适用于基于TDLAS技术的气体检测。在TDLAS技术的气体检测中，气体池光源多采用光纤输出的激光器，该种激光器增加了空间光向光纤的耦合工艺，造成了光功率的损失，降低了气体检测效率，同时增加了成本；而个别采用空间光输出的气体池，在光发射端并未采用相应的调节措施，致使气体吸收光程短，检测灵敏度低。
本发明中气体池主体采用分段设计，分别由前后套筒组装而成，该设计降低了机加难度，增加了气体池长度设计的灵活性，可依据实际测量需求灵活调整气体池前后套筒的长度，实现测量需求。
本发明中气体池使用空间光输出的激光器，该种激光器多采用TO封装方式，该种激光器制作工艺成熟，成品率高，成本较低，且输出光功率较高，适合高精度高灵敏度的气体检测。在本发明的实施例中使用的激光器为TO510封装，市面上用于气体检测的激光器种类繁多，封装尺寸多样，但均可用于本发明中的气体池使用。
本发明中使用的光电探测器为硅探测器，封装形式为TO5，光敏面积为9mm2。市面上光探测器种类繁多，封装尺寸多样，但均可用于本发明中的气体池使用。
本发明中使用的空间光输出激光器，其激光器发散角较大，在本发明的实施例中，激光发散角为13°，因此需要对输出光进行准直。本发明中的准直套筒针对激光器的封装形式进行设计，根据气体池的总长度和光电探测器的光敏尺寸选择恰当焦距的非球面准直透镜，用于对输出光的准直，在本实施例中，气体池外形总长度为350mm，实际光路为600mm，而经准直后的激光有效准直距离为5m，光斑直径小于2mm，达到了设计要求，满足气体池使用。
本发明中的光发射单元可作为一个模块进行单独调试和使用，由于所用激光器发光点和出光方向的偏差，以及在加入准直透镜后对光路的影响，需要在气体池中设计光发射单元的调节机构，用于气体池内的光路调节，使输出激光在经过角锥棱镜的反射后能够到达光电探测器的光敏面。
本发明中，依据角锥棱镜的光学特性，将套头上的发光位置和探测位置相对于中心对称。同时在发光位置设置5个调节螺钉对光发射单元进行紧固和调节，如图3、4所示，图中序号16、17、18三个调节螺钉调整光发射单元的相对位置，对输出光的方向进行粗调，序号19和20两个调节螺钉调节激光输出的俯仰角度，用于对输出光方向的细调，在调节螺钉的调节过程中要有序调节，边调节边紧固，最终完成光路调整。
本发明中的光发射单元中，激光器是关键器件，由于其受温度影响较大，因此在激光器的主要散热面增加了用于导热的散热铜块，减少了激光器温控调节负荷，增加了激光器稳定性。
本发明中激光器和探测器均采用焊接短线的方式连接在光电前置放大电路印制板上，这样可以减少激光器和探测器的管脚受到应力影响而损坏。
本发明中的温度传感器用于测量气体池腔内的温度，便于在信号处理中进行温度补偿。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (13)

1.一种用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池，其特征在于：包括后套筒(1)、前套筒(2)、出气嘴(3)、进气嘴(4)、角锥棱镜(5)、套头(7)、准直套筒(8)、光电前置放大电路印制板(13)、光电探测器(14)、温度传感器(22)和光发射单元，其中后套筒(1)的一端与前套筒(2)的一端固定连接，出气嘴(3)和进气嘴(4)分别设置在后套筒(1)或前套筒(2)上，被测气体从进气嘴(4)进入气体池，从出气嘴(3)排出，后套筒(1)的另一端安装角锥棱镜(5)，套头(7)连接固定在前套筒(2)的另一端，光发射单元和温度传感器(22)均安装在在套头(7)上，光电探测器(14)固定安装在光电前置放大电路印制板(13)上，光电前置放大电路印制板(13)固定安装在套头(7)上。
2.根据权利要求1所述的一种用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池，其特征在于：所述温度传感器(22)用于测量气体池内部的温度，所述光反射单元发出的光经过角锥棱镜(5)反射后，经气体池内的被测气体吸收后，入射到光电探测器(14)，光电探测器(14)将光信号转换为电信号，光电前置放大电路印制板(13)将所述电信号放大后向外输出。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池，其特征在于：所述光反射单元包括准直套筒(8)、激光器(9)、激光器散热块(10)、激光器压圈(11)和非球面准直透镜(12)，所述激光器(9)放置在准直套筒(8)中，激光器(9)的引脚端放置激光器散热块(10)，所述激光器压圈(11)将准直套筒(8)、激光器(9)和激光器散热块(10)压紧，准直套筒(8)的另一端安装非球面准直透镜(12)，通过调节非球面准直透镜(12)与激光器(9)发射面的距离，调节输出激光的准直距离和光斑直径。
4.根据权利要求3所述的一种用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池，其特征在于：所述激光器散热块(10)的材料为铜；通过非球面准直透镜(12)的细牙螺纹调节与激光器(9)发射面的距离，使输出激光的准直距离为1m～20m，光斑直径小于2mm。
5.根据权利要求1或2所述的一种用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池，其特征在于：还包括光发射单元的调节机构，用于气体池内的光路调节，使输出激光经过角锥棱镜(5)反射后到达光电探测器(14)的光敏面。
6.根据权利要求5所述的一种用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池，其特征在于：所述光发射单元的调节机构为设置在套头(7)上的5个调节螺钉(16、17、18、19、20)，对光发射单元进行紧固和调节，其中调节螺钉(16、17、18)调整光发射单元的相对位置，对输出光的方向进行粗调，调节螺钉(19、20)调节输出光的俯仰角度，用于对输出光的方向进行细调。
7.根据权利要求6所述的一种用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池，其特征在于：所述调节螺钉((16、17、18)以光发射单元安装孔(30)的中心轴呈120°均匀分布。
8.根据权利要求1或2所述的一种用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池，其特征在于：还包括棱镜压圈(6)，用于紧固安装在后套筒(1)另一端的角锥棱镜(5)。
9.根据权利要求1或2所述的一种用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池，其特征在于：还包括印制板垫圈(15)，将光电探测器(14)焊装于光电前置放大电路印制板(13)上，通过印制板垫圈(15)调节印制板(13)的高度，所述印制板垫圈(15)的材料为聚四氟乙烯。
10.根据权利要求1或2所述的一种用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池，其特征在于：所述温度传感器(22)焊接在光电前置放大电路印制板(13)上，所述激光器(9)和光电探测器(14)采用焊接短线的方式连接在光电前置放大电路印制板(13)上。
11.根据权利要求1或2所述的一种用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池，其特征在于：所述套头(7)上光电探测器(14)的安装位置，增加了喇叭状的开口，喇叭状开口的硬铝表面进行抛光，要求表面粗糙度优于0.8。
12.根据权利要求1或2所述的一种用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池，其特征在于：所述激光器(9)采用TO510封装，所述光电探测器(14)采用TO5封装。
13.根据权利要求1或2所述的一种用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池，其特征在于：气体池中除激光器散热块(10)外，其他金属结构件均为硬铝，且结构件表面均进行了绝缘黑色阳极化处理，以减少杂散光对光电探测器(14)的影响。
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