CN108507959B - 一种可变光程气体吸收气室传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可变光程气体吸收气室传感系统，涉及光谱法气体检测技术领域，包括封闭气室、位移调节器、准直器、环形器、信号探测采集模块、激光发射器、等腰直角全反射棱镜A、等腰直角全反射棱镜B，所述等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B设于所述封闭气室内部，所述封闭气室上设有调节口，所述位移调节器设于调节口的一侧；所述准直器水平设于位移调节器上，所述环形器通过光纤分别与准直器、激光发射器、信号探测采集模块连接，激光发射器发出的激光由准直器射入封闭气室，经过等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B反射后再由准直器射出。解决了在操作过程中不利于确定光程长度变化，调节复杂的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光谱法气体检测技术领域，尤其涉及一种可变光程气体吸收气室传感系统。
背景技术
相比于传统的电化学气体传感器，光纤气体传感器具有精度高，选择性好，可靠性高，本质安全，受环境影响小等显著的优点。根据对于不同的场景所需要的传感器的特性的不同，对现有的光纤气体浓度传感器提出要具有高分辨率同时兼顾较大检测范围的要求，以此来应对不同环境下，不同的检测范围。这就对现有固定光程的吸收气室提出了要求。现有的长光程吸收气室通常采用光学多次反射池的方法，常用的多次反射池主要有Herrriott型和White型。
《传感器与微系统》，2016年，35卷第6期，作者：程跃，罗晓乐，刘磊，张鹏，吴礼章，叶杨高，题为《光程可调吸收气室气体传感器研究》中介绍了一种基于white怀特池结构的可变光程吸收气室，虽然它的光程可调，但是由于采用white池结构折返光路复杂不利于确定光程长度的变化，而且调节较为复杂，因此需要一种操作简便，光程变化次数可定的吸收气室结构。
发明内容
本发明就是针对现有技术存在的上述不足，提供一种可变光程气体吸收气室传感系统，解决了在操作过程中不利于确定光程长度变化，调节复杂的问题。
本发明解决技术问题的技术方案是：
一种可变光程气体吸收气室传感系统，包括封闭气室、位移调节器、准直器、环形器、信号探测采集模块、激光发射器、等腰直角全反射棱镜A、等腰直角全反射棱镜B，所述封闭气室上设有进气口和出气口，所述等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B设于所述封闭气室内部，等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B的斜边面平行相对间隔设置，两斜边面上下水平方向设有错位距离，且等腰直角全反射棱镜B设在下侧；所述封闭气室上设有调节口，且调节口设在靠近等腰直角全反射棱镜B的一侧，所述位移调节器设于调节口的一侧；所述准直器水平设于位移调节器上，所述环形器通过光纤分别与准直器、激光发射器、信号探测采集模块连接，激光发射器发出的激光由准直器射入封闭气室，经过等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B反射后再由准直器射出。
所述等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B的端面斜边长度均为D，且两斜边面之间的水平距离为L，等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B的两斜边面上下水平错位差值为C，且准直器的激光出射口与等腰直角全反射棱镜A上端点在竖直方向上的距离为X，所述准直器的激光出射口与等腰直角全反射棱镜A斜边面的水平距离为S；激光发射器发出的激光由准直器射入封闭气室，经过等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B反射后再由准直器射出需要符合以下等式：
D-(2NC+X)＝X，即准直器的激光出射口与等腰直角全反射棱镜A上端点在竖直方向上的距离X等于激光在反射到准直器时的反射点与等腰直角全反射棱镜A上端点在竖直方向上的距离；
激光在封闭气室内总的光程为：
其中，N表示激光在等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B之间往返的次数，且N为大于等于零的整数，D、S、C、L均为固定已知的值，且均大于0，在D、C、S、L固定的情况下，只需改变入射光X的位置，就可以使得激光在封闭气室内总的光程发生改变。
等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B的上、下端面分别通过固定胶与封闭气室内壁连接。
所述调节口设于靠近等腰直角全反射棱镜B的一侧，所述调节口的外侧左右两端设有固定夹板，调节口的上端设有固定板，所述位移调节器包括密封滑板、连接杆、调节栓，所述密封滑板设于调节口的外侧且与固定板配合，密封滑板的上端设有连接杆，所述连接杆上设有调节栓，所述调节栓与连接杆和固定板螺纹配合。
所述调节口为狭长开口，所述封闭滑板上设有入射孔，所述入射孔的尺寸与狭长开口的宽度配合，所述准直器通过固定胶固定密封在入射孔内。
其中一块固定夹板的一侧设有刻度尺。
所述封闭气室由聚四氟乙烯材料制成。
本发明的有益效果：
1.本发明相比于现有固定光程的吸收气室，设置了位移调节器，使得吸收光程按2L的倍数变化，从而可以改变对气体的检测范围，操作简单，使用方便；当待测气体浓度较大时可选用较短的光程，当浓度较小时可以通过增大光程来增强吸收信号，可以根据需要来调节光程大小，同时可以根据入射点的位置，清晰的知道相对应光程的大小，不存在虽然可变但是不清楚具体光程的情况，整体光路比较清晰明了，加工和制造工艺的难度不大，有利于商业化发展。
2.本发明在整个操作过程中，简单方便，只需要通过位移调节器调节准直器的位置就可以实现对光程的调节，并且当C、S、D、L均为固定已知的情况下，X的位移变化直接就可以知道光程实际的反射次数，以及往返的总路程。
3.密封滑板设于调节口的外侧且与固定板配合，通过固定板能够对密封滑板起到压紧作用，保证密封滑板在移动的同时又能保证密封性，调节栓与连接杆和固定板螺纹配合,一块固定夹板的一侧设有刻度尺，配合刻度尺通过螺纹调节移动距离，使得调节更加精确，让检测更加精准。。
4.本发明封闭气室由聚四氟乙烯材料制作，使封闭气室更具有耐腐蚀性，可以检测一些耐腐蚀气体，增加使用寿命，减少成本，同时比较轻便，便于携带，封闭气室上设有进气口和排气口，不仅能够实现对一定量气体的检测，而且能够对流动气体进行检测，适用范围更广。
附图说明
图1本发明整体结构示意图；
图2为封闭式气室右视图；
图3为封闭式气室内部结构示意图；
图4为激光反射路径图。
图中，1-进气口；2-封闭气室；3-排气口；4-位移调节器；5-准直器；6-环形器；7-信号探测采集模块；8-激光发射器；9-光纤；10-等腰直角全反射棱镜A；11-等腰直角全反射棱镜B；12-调节口；13-固定夹板；14-入射孔；15-刻度尺；16-连接杆；17-调节栓；18-固定板；19-激光；20-密封滑板。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图来详细解释本发明的实施方式。
实施例一：如图1-4所示，一种可变光程气体吸收气室传感系统，包括封闭气室2，位移调节器4、准直器5、环形器6、信号探测采集模块7、激光发射器8、等腰直角全反射棱镜A10、等腰直角全反射棱镜B11，所述封闭气室2上设有进气口1和排气口3，可以用于检测流动气体，同时也可以实现进排气功能；所述等腰直角全反射棱镜A10和等腰直角全反射棱镜B11设于所述封闭气室2内部，等腰直角全反射棱镜A10和等腰直角全反射棱镜B11的斜边面平行相对间隔设置，两斜边面上下水平方向设有错位距离，且等腰直角全反射棱镜B设在下侧；所述封闭气室上设有调节口，且调节口设在靠近等腰直角全反射棱镜B的一侧，所述位移调节器4设于调节口12的一侧，所述准直器5水平设于位移调节器4上，所述环形器6通过光纤9分别与准直器5、激光发射器8、信号探测采集模块7连接，光纤传输的速度块，同时光在传输过程汇总损耗少，质量高，提高检测精度，同时质量较轻，便于携带；激光发射器发出的激光由准直器射入封闭气室，经过等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B反射后再由准直器射出。
所述封闭气室2由聚四氟乙烯材料制成，具有耐腐蚀使用寿命长的优点，而且重量轻，便于携带；环形器6的作用是保证从激光发射器8到准直器5的激光和从准直器5返回到信号探测采集模块7的激光互不干扰。
等腰直角全反射棱镜A10和等腰直角全反射棱镜B11的上、下端面分别通过固定胶与封闭气室2内壁连接，固定方式简单、方便。
所述调节口12的外侧左右两端设有固定夹板13，调节口12的上端设有固定板18，所述位移调节器4包括密封滑板20、连接杆16、调节栓17，所述密封滑板20设于调节口12的外侧且与固定板13配合，固定板13可以保证密封滑板20只在纵向上移动，同时又起到压紧作用，保证其密封性；密封滑板20的上端设有连接杆16，所述连接杆16上设有调节栓17，所述调节栓17与连接杆16和固定板13螺纹配合，其中一块固定夹板的一侧设有刻度尺15，螺纹调节精度较高，同时刻度尺能够辅助调节，增加调节的精度；所述调节口12为狭长开口，所述封闭滑板20上设有入射孔14，所述入射孔14的尺寸与狭长开口的宽度配合，所述准直器5通过固定胶固定密封在入射孔14内，准直器5可以在狭长开口内移动，实现激光入射位置的变化。
所述等腰直角全反射棱镜A10和等腰直角全反射棱镜B11的斜边长度均为D，且两斜边面之间的水平距离为L，两个等腰直角全反射棱镜的上下水平错位差值为C，且所述激光发射器8发出的激光通过光纤9经过环形器6由准直器5射入封闭气室2，并照射在等腰直角全反射棱镜A10的斜边上，准直器5的激光出射口与等腰直角全反射棱镜A10上端点在竖直方向上的距离为X，所述准直器5的激光出射口与等腰直角全反射棱镜A斜边面的水平距离为S。
假设等腰直角全反射棱镜A上端点为原点，纵向上垂直向下为正方向，横向上水平向右为正方向，则激光在准直器5入射点位置为(S,X),在两个棱镜间经过两次全反射以后射到等腰直角全反射棱镜A的纵向坐标值为2C+X，以此类推下一个纵向坐标值为4C+X，因此在等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B间经过N次往返以后的纵向坐标值为2NC+X。
因此要满足激光发射器8发出的激光由准直器5射入封闭气室2，经过等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B反射后再由准直器5射出，则需要满足以下的条件：
D-(2NC+X)＝X，即准直器5的激光出射口与等腰直角全反射棱镜A上端点在竖直方向上的距离X等于激光在反射到准直器5时的反射点与等腰直角全反射棱镜A上端点在竖直方向上的距离；
得出：当C为固定值时，其中N为大于等于零的整数。
当入射光位置时，光在等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B之间往返5次以后又从原来的入射点反射出去，总的吸收光程为10L+2S。
通过调节位移调节器4改变准直器5的位置，当时，光在等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B之间往返4次以后又从原来的入射点反射出去，总的吸收光程为8L+2S。
当时，光在等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B之间往返N次以后又从原来的入射点反射出去，总的吸收光程为/>
其中L和S的差值是等腰直角全反射棱镜B的斜边到准直器5的水平距离，D、S、C、L均为固定已知的值，且因为要有意义必须均大于0，由上可知，在D、C、S、L固定的情况下，只需改变入射光X的位置，就可以使得吸收光程发生改变，根据需要检测的气体浓度，调节合适的检测光程，让检测更加准确。
在改变不同往返次数时，可能使得X大于C，即入射激光被等腰直角全反射棱镜B给挡住，这时可以在等腰直角全反射棱镜B对应位置将直角斜面变成对应垂直面使得激光能够垂直入射。
当等腰直角全反射棱镜B上某些反射点，因为不同倍数光路重叠的缘故导致冲突，可以考虑将入射激光保证垂直方向不变水平方向有一个小倾角，这样不同反射所对应光路在水平方向就能错开来了。因为水平有一定倾角，因此对于原来等腰直角全反射棱镜的斜面要变成一个中间凸起带棱的面(类似屋脊棱镜)，保证凸起面的两侧分别于入射激光和出射激光垂直。
整个过程操作简便只需要通过位移调节器4调节准直器5的位置就可以实现对光程的调节，并且当C、S、D、L均为固定已知的情况下，X的位移变化直接就可以知道光程实际的反射次数，以及往返的总路程，反射回来的激光通过光纤9依次经过准直器5、环形器6，最终到达信号探测采集模块7，然后再由该模块采集数据以后送入计算机进行数据分析，通过光强的变化得到气体浓度,从来完成对封闭气室2内的气体的检测。
实施例二：只改变C的值。
改变C值带来的变化：因为由实施1可知，入射相对位置每变化C，光程就相应变化2L。因此当其他参量固定的情况下，C越小，准直器5做相同的位移X，其光程的变化量就越大。
本实施例其余特征与优点均与实施例1相同。
虽然本发明已示出和描述了本发明实施例，对本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，都属于本发明的上述权利要求保护范围之内。
Claims (5)
1.一种可变光程气体吸收气室传感系统，其特征是，包括封闭气室、位移调节器、准直器、环形器、信号探测采集模块、激光发射器、等腰直角全反射棱镜A、等腰直角全反射棱镜B，所述封闭气室上设有进气口和出气口，所述等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B设于所述封闭气室内部，等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B的斜边面平行相对间隔设置，两斜边面上下水平方向设有错位距离，且等腰直角全反射棱镜B设在下侧；所述封闭气室上设有调节口，且调节口设在靠近等腰直角全反射棱镜B的一侧，所述位移调节器设于调节口的一侧；所述准直器水平设于位移调节器上，所述环形器通过光纤分别与准直器、激光发射器、信号探测采集模块连接，激光发射器发出的激光由准直器射入封闭气室，经过等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B反射后再由准直器射出；
所述等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B的端面斜边长度均为D，且两斜边面之间的水平距离为L，等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B的两斜边面上下水平错位差值为C，且准直器的激光出射口与等腰直角全反射棱镜A上端点在竖直方向上的距离为X，所述准直器的激光出射口与等腰直角全反射棱镜A斜边面的水平距离为S；激光发射器发出的激光由准直器射入封闭气室，经过等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B反射后再由准直器射出需要符合以下等式：
D-(2NC+X)＝X，即准直器的激光出射口与等腰直角全反射棱镜A上端点在竖直方向上的距离X等于激光在反射到准直器时的反射点与等腰直角全反射棱镜A上端点在竖直方向上的距离；
激光在封闭气室内总的光程为：
其中，N表示激光在等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B之间往返的次数，且N为大于等于零的整数，D、S、C、L均为固定已知的值，且均大于0，在D、C、S、L固定的情况下，只需改变入射光X的位置，就可以使得激光在封闭气室内总的光程发生改变；
所述调节口的外侧左右两端设有固定夹板，调节口的上端设有固定板，所述位移调节器包括密封滑板、连接杆、调节栓，所述密封滑板设于调节口的外侧且与固定板配合，密封滑板的上端设有连接杆，所述连接杆上设有调节栓，所述调节栓分别与连接杆、固定板螺纹配合。
2.如权利要求1所述的一种可变光程气体吸收气室传感系统，其特征是，等腰直角全反射棱镜A和等腰直角全反射棱镜B的上、下端面分别通过固定胶与封闭气室内壁连接。
3.如权利要求1所述的一种可变光程气体吸收气室传感系统，其特征是，所述调节口为狭长开口，所述密封滑板上设有入射孔，所述入射孔的尺寸与狭长开口的宽度配合，所述准直器通过固定胶固定密封在入射孔内。
4.如权利要求1所述的一种可变光程气体吸收气室传感系统，其特征是，其中一块固定夹板的一侧设有刻度尺。
5.如权利要求1所述的一种可变光程气体吸收气室传感系统，其特征是，所述封闭气室由聚四氟乙烯材料制成。
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2018
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