CN109470638A - 激光气体检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光气体检测装置，能够在保证光接收透镜组件的尺寸大小的前提下，弥补离轴程度高造成的像差问题，提高仪器的遥测距离。具体地，该激光气体检测装置包括：筒体；光接收透镜组件，光接收透镜组件设置于筒体的一端；激光发射装置，激光发射装置的至少一部分设置于筒体的内部，且相对于光接收透镜组件的主光轴离轴设置；光探测器，光探测器设置于筒体中的另一端，并位于光接收透镜组件的主光轴上。

Description

激光气体检测装置

技术领域

本发明涉及测量装置领域，更详细地说，本发明涉及一种激光气体检测装置。

背景技术

可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)是一种将激光应用于吸收光谱测量技术的光学和光谱学测量方法。TDLAS利用半导体激光窄线宽和快速调谐的特性，通过检测吸收分子的一条孤立的振转吸收线，可以实现对气体的快速检测。

激光气体检测装置是基于TDLAS原理，通过单片机控制电路对激光器进行电流调制，使激光器发出特定波长的激光穿过气体监测区域后，到达反射面并被反射回光探测器，若激光穿过的气体区域中存在被检测的特征气体，激光将与被该气体吸收，特征气体浓度越高，吸收量越大，光探测器将监测到激光强度的变化并反馈至单片机控制电路进行处理，最终由信号输出电路将浓度结果显示出来。

然而，现有的激光气体检测装置的光路像差问题始终难以得到有效解决，影响检测装置的可检测距离。

发明内容

通过对现有的激光气体检测装置进行研究发现，现有的激光气体检测装置的光路像差问题的产生原因之一在于激光发射装置的离轴程度较高。如图1所示，现有的激光气体检测装置为了避免阻挡光探测器106收集光线，通常需要将激光气体检测装置包括激光发射装置104在内的装置、元件配置在光接收透镜组件100所抵接的筒体102外部。光接收透镜组件100需要充足的尺寸大小以满足其对集光性能的要求，而激光发射装置进一步设置在其沿径向的外围位置，造成离轴程度的进一步增大，进而形成较大的轴外物点像差。

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供了一种激光气体检测装置，能够在保证光接收透镜组件的尺寸大小的前提下，弥补离轴程度高造成的像差问题，提高仪器的遥测距离。

该激光气体检测装置包括：筒体；光接收透镜组件，光接收透镜组件设置于筒体的一端；激光发射装置，激光发射装置的至少一部分设置于筒体的内部，且相对于光接收透镜组件的主光轴离轴设置；光探测器，光探测器设置于筒体中的另一端，并位于光接收透镜组件的主光轴上。

通过将激光发射装置的至少一部分设置在筒体内部，能够在保证光接收透镜组件的尺寸大小的前提下，有效减小离轴程度高造成的轴外点像差，提高仪器的遥测能力。此外，该设置方式还能够有效减小装置整体体积，提高空间利用效率。再者，激光气体检测装置通常被安装在外加壳体内或整合于其他部件中，此时，将激光发射装置收容于筒体内部还能够保证在发生颠簸、晃动等情形时，其能够免于与外加壳体或其他部件之间的磕碰，提高激光气体检测装置的抗震性能。

在本发明的优选技术方案中，激光被反射后经过光接收透镜组件汇聚至光探测器，所述激光发射装置设置于该被反射的激光的汇聚路径以外的区域。该激光发射装置的安装方式能够避免其对反射回的测量激光的阻挡，提高光探测器收集光线的能力。

在本发明的优选技术方案中，光接收透镜组件具有通孔或光焦度为零的区域，激光发射装置从通孔或光焦度为零的区域出射激光。采用通孔方式出射激光能够同时提高筒体内部器件的散热性能，而采用在光接收透镜组件中设置部分光焦度为零的区域，则可以提高装置的防爆性能。

进一步地，在本发明的优选技术方案中，通孔或光焦度为零的区域设置于光接收透镜组件的外缘区域。将通孔或光焦度为零的区域设置在光接收透镜组件的外缘区域，例如抵靠或邻近光接收透镜组件的外缘，能够尽可能地减少光接收透镜组件所收集光线的损失，且该结构便于加工。

进一步地，在本发明的优选技术方案中，激光发射装置包括光准直透镜组件，光准直透镜组件用于准直激光。可选的，该光准直透镜组件抵接筒体内壁，激光被反射后经过光接收透镜组件汇聚至光探测器，所述光准直透镜组件设置于该被反射的激光的汇聚路径以外的区域。对激光进行准直能够将发散或会聚光束演变为平行光束，提高光束的平行度，减小光斑面积，进一步提高测远性能。

更进一步地，在本发明的优选技术方案中，激光发射装置还包括：激光光源，激光光源设置于筒体的外部；光纤支架，光纤支架设置于筒体的内部；光纤，光纤的一端与激光光源进行光耦合，光纤的另一端由光纤支架固定于光准直透镜组件的焦点上，从而光纤将激光光源发射的激光从筒体的外部引导至筒体的内部并准直出射的。激光光源外置可以提高其散热性能。

可选的，筒体表面的至少一部分向筒体内部凹陷，形成为一个或多个安装槽，激光光源进入安装槽内安装固定。将激光光源设置在凹陷的安装槽内，可以进一步防止激光光源与外壳或其他部件之间的磕碰，提高使用寿命。

在本发明的优选技术方案中，光接收透镜组件具有用于准直激光发射装置发出的激光的光准直区域，光准直区域的光焦度大于光接收透镜组件的其余区域的光焦度，且光准直区域设置于光接收透镜组件的外缘区域。将准直透镜集成在光接收透镜组件中，可以兼顾测远性能和防爆性能的要求，同时简化装置。

在本发明的优选技术方案中，光接收透镜组件、至少一部分激光发射装置及光探测器均与筒体固定连接。各光学组件固定于同一框架下，相互之间保持相对静止，使收发光路更加稳定，减少光路偏移。

本发明还提供了包括激光气体检测装置的手持式或云台式激光气体检测设备。

在本发明的优选技术方案中，激光气体检测装置用于检测的气体包括可燃性气体，该手持式或云台式激光气体检测设备还包括外壳，外壳套于筒体的外部，该外壳具有进光口，反射回的激光依次经过进光口及光接收透镜组件后被光探测器接收，进光口处设置有防爆玻璃用于密封外壳。该设置方式能够有效兼顾装置的防爆性能和散热性能。可选的，所述外壳抵接所述激光气体检测装置的部分采用金属材料制得，以进一步提高设备的散热性能。

附图说明

图1是现有技术中一种激光气体检测装置的结构示意图；

图2是本发明一个实施例中气体检测装置的结构示意图；

图3是本发明另一个实施例中气体检测装置的结构示意图；

图4是图3实施例中云台式气体检测设备的结构示意图；

图5是本发明另一个实施例中气体检测装置的结构示意图；

图6是图5实施例中气体检测装置的测量光路结构示意图；

图7是图5实施例中气体检测装置的立体结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。本领域技术人员可以根据需要对其做出调整，以便适应具体的应用场合。例如，尽管说明书中所述的激光气体检测装置的各个组成部分都具有预定的形状和结构，但是，这些组成部分显然还可以被设置成其他的形状和结构，只要该组成部分能够完成预定功能即可。这种组成部分形状和结构的改变并不偏离本发明的基本原理，因此都将落入本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本发明的优选实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或组成部分必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例一

参考图2，本实施例首先提供了一种激光气体检测装置1，该激光气体检测装置1包括用于保护和固定光学和电路元件的筒体102，筒体102一端(右端)开口，开口位置抵靠设置有用于接收并聚焦测量激光的光接收透镜组件100，另一端(左端)为封闭的板状件并抵接设置有光探测器106，光探测器106的受光面朝向光接收透镜组件100，其设置位置位于光接收透镜组件100的焦点处。

本实施例中，激光发射装置104为激光二极管，能够产生并发出测量激光，测量激光将经过光接收透镜组件100后出射。为了防止测量激光出射方向发生偏折，且保障激光气体检测装置1的防爆性能，本实施例中的光接收透镜组件100被形成为玻璃、透明高分子材料或其他合适的透明材料的一体结构，具有光焦度为零的区域108，该光焦度为零的区域108两侧的入光面和出光面互相平行，且垂直于激光传播方向设置。激光发射装置104发出的激光经由该光焦度为零的区域108出射，以保持激光的出射方向不发生偏折。具体地，本实施例中，激光发射装置104相对于光接收透镜组件100的主光轴离轴设置，而其激光出射方向与该主光轴保持平行。因此，在经过光焦度为零的区域108后，激光的出射方向将保持不变，依旧与光接收透镜组件100的主光轴平行且离轴。

激光发射装置104设置在筒体102的内部，该设置方式有效解决了光接收透镜组件100的尺寸大小与激光发射装置104离轴程度的矛盾问题，能够在保证光接收透镜组件100尺寸大小的前提下，弥补离轴程度高造成的像差问题，提高仪器的遥测距离。此外，由于激光发射装置104设置在筒体102的内部，不会占用筒体外的空间，能够有效减小装置整体体积，提高空间利用效率。

本实施例中，该激光气体检测装置1的表面还可以配置通用固定接口(图中未示出)，用于将其安装在其他设备或载具上，与其他设备或载具配合使用。载具可以包括但不限于云台装置、无人机飞行器。优选地，本实施例还提供了一种激光气体检测设备，包括该激光气体检测装置1与无人机飞行器，该激光气体检测装置1由于可测量距离较远，能够很好地满足飞行测量的测量需求；此外，激光气体检测装置1的激光发射装置104被收容在筒体102内部，还能够保证在发生颠簸、晃动等情形时，其能够免于与外加壳体或其他部件之间的磕碰，提高激光气体检测装置1的抗震性能。

在本发明的其他一些实施例中，该激光气体检测装置1也可以被套设在便携设备的壳体内，以作为便携设备的激光气体检测模块使用。

本实施例中，激光发射装置104通过悬臂110悬吊于筒体102的筒壁，悬臂110的长度可以根据实际情况予以选取或调节，通过以上方式，激光发射装置104的离轴程度可以根据实际情况予以选取或调节，进一步解决激光发射装置104离轴设置造成的像差问题。

实施例二

参考图3，本实施例提供了一种激光气体检测装置2，与实施例一中提供的激光气体检测装置1有些类似，但有所不同，其不同之处在于：

首先，本实施例提供的激光气体检测装置2的光接收透镜组件100采用通孔112替代了实施例一中的光焦度为零的区域108，该通孔112能够帮助散热。

此外，本实施例中，激光发射装置104沿筒体102轴向的设置位置相比实施例一更加靠近光探测器106一侧。如图3所示，测量激光被反射后，经由光接收透镜组件100被聚焦于光探测器106，由光接收透镜组件100的外缘与光探测器106的外缘共同限定一入射区域114，若激光发射装置104设置在该入射区域114内，将部分阻挡反射回的测量激光，影响信号强度。本实施例中，激光发射装置104设置在入射区域114以外的区域，该安装方式能够避免激光发射装置104对测量激光的阻挡，提高光探测器106收集测量激光的能力。

在本发明的其他实施例中，激光发射装置104也可以通过调节相对于光接收透镜组件100主光轴的离轴程度，即激光发射装置104沿筒体102径向的设置位置，离开该入射区域114。

本实施例还提供了一种用于检测甲烷气体浓度的云台式激光气体检测设备3，参考图4，该云台式激光气体检测设备3除了安装有本实施例提供的激光气体检测装置2，还包括外壳302，该外壳采用金属材料制得，抵靠激光气体检测装置2的筒体102设置，以增大筒体102的散热面积，帮助散热。

另一方面，外壳302一端开口，该开口为进光口304，激光发射装置104发出的测量激光被反射回后将依次经过该进光口304以及光接收透镜组件100后被光探测器106接收，进光口304处设置有防爆玻璃306，该防爆玻璃306能够密封该外壳302，且提高激光气体检测设备3的防爆性能。

通过以上方式，本实施例提供的激光气体检测设备3能够进一步兼顾设备的集光、散热和防爆性能。

实施例三

参考图5，本实施例提供了一种激光气体检测装置4，该激光气体检测装置4的激光发射装置104包括激光光源124、光纤118和光纤支架116。其中，激光光源124设置在筒体102的外部，用于产生测量激光，激光光源124产生的测量激光经由光纤118被传导至筒体102内部，该设置方式能够提高激光光源124的散热效果。

光纤118一端与激光光源124耦合，另一端为出射端118a，被筒体102内部的光纤支架116固定在光准直透镜组件120的焦点上，光准直透镜组件120能够对测量激光进行准直。需要说明的是，为了方便激光光路的图示，图5将激光光源124、光纤118、光纤支架116和通孔112在同一平面上示出，本实施例提供的激光气体检测装置4的实际立体结构将在后文中结合图7中进一步予以阐述。

参考图6，测量激光在反射面600上形成的光斑具有离轴程度较高的第一反射点602和离轴程度相对较低的第二反射点604，当反射面600与激光气体测量装置4的距离Y较大时，若激光发散程度较高，则第一反射点602的离轴程度也随之增大，进而造成光斑部分离轴程度太大的位置，如第一反射点602，反射回的光线难以被光接收透镜组件100会聚到光探测器106表面，影响测量信号的接收。其次，光斑部分位置离轴程度过大还会造成严重的像差问题，例如带来严重的彗差、像散等轴外点像差。

基于以上认识，本实施例提供的激光气体检测装置4采用光准直透镜组件120对由位于光准直透镜组件120焦点处的光纤出射端118a发出的测量激光进行准直，进而将测量激光的发散或会聚光束演变为平行光束，提高光束的平行度，减小光斑面积，配合内置于筒体102的光纤118和光纤支架116将测量激光从筒体102内部出射，能够有效提高测远性能。

此外，激光气体检测装置4采用的光接收透镜组件100为凸透镜，光探测器106设置于光接收透镜组件100的焦点区域，光接收透镜组件100的F数F#，即焦距与光接收透镜组件100光阑直径的比值，为1.2-2.8。本实施例中，光接收透镜组件100的F#为2。

继续参考图5，本实施例中，经由光准直透镜组件120准直后出射的测量激光方向平行于光接收透镜组件100的主光轴，且为了防止光准直透镜组件120等元件阻挡测量激光的收集，光准直透镜组件120、光纤出射端118a、光纤支架116等均抵靠筒体102设置，与之配合地，光接收透镜组件100上用于出射测量激光的通孔112也设置在光接收透镜组件100的外缘区域。通孔112设置在外缘区域，能够尽可能地减少光接收透镜组件100所收集光线的损失，且该透镜结构便于加工。

为了方便人为调整测量激光的出射方向，本实施例提供的激光气体检测装置4包括设置于筒体102侧壁的调节装置122，该调节装置与光纤支架116连接，能够对光准直透镜组件120的位置和/或朝向进行调节。

本实施例提供的激光气体检测装置4的立体结构如图7所示，该激光气体检测装置4的筒体102部分区域向筒体102内部凹陷，形成有激光光源安装槽126a和电路板安装槽126b，其中，激光光源安装槽126a用于安装激光光源124，电路板安装槽126b用于安装电路板128。特别地，本实施例中，激光光源124在进入激光光源安装槽126a内安装固定后，其顶部平面低于筒体102表面，该设置方式能够防止激光光源124与外加的壳体或其他部件之间的磕碰，提高使用寿命。类似地，包括电路板128在内的其他电气元件也可以完全进入相应的安装槽内并安装固定。

此外，通过以上方式，该激光气体检测装置4包括光接收透镜组件100、激光光源124、光纤支架116、光探测器106等在内的光路元件均固定在筒体102上，彼此之间保持相对静止，从而使得收发光路更加稳定，减少光路偏移。

在本发明的其他实施例中，光准直透镜组件120也可以以光准直区域的形式集成在光接收透镜组件100中，光准直区域可以准直激光发射装置发出的激光。光准直区域的光焦度大于光接收透镜组件的其余区域的光焦度，且光准直区域设置于光接收透镜的外缘区域。该设置方式可以保障设备的防爆性能，同时兼顾测远性能，简化装置。

通过以上方式，本实施例提供的激光气体检测装置4除了具有较好的测远性能，还能够很好地保护内部器件在使用过程中免受磕碰、震动等机械力的损坏，保障收发光路稳定且不易偏移。

至此，已经结合附图描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光气体检测装置，其特征在于，包括：

筒体；

光接收透镜组件，所述光接收透镜组件设置于所述筒体的一端；

激光发射装置，所述激光发射装置的至少一部分设置于所述筒体的内部，且相对于所述光接收透镜组件的主光轴离轴设置；

光探测器，所述光探测器设置于所述筒体中的另一端，并位于所述光接收透镜组件的主光轴上。

2.如权利要求1所述的激光气体检测装置，其特征在于，所述光接收透镜组件具有通孔或光焦度为零的区域，所述激光发射装置从所述通孔或所述光焦度为零的区域出射激光。

3.如权利要求2所述的激光气体检测装置，其特征在于，所述通孔或所述光焦度为零的区域设置于所述光接收透镜组件的外缘区域。

4.如权利要求2所述的激光气体检测装置，其特征在于，所述激光发射装置包括光准直透镜组件，所述光准直透镜组件用于准直所述激光。

5.如权利要求4所述的激光气体检测装置，其特征在于，所述激光发射装置还包括：

激光光源，所述激光光源设置于所述筒体的外部；

光纤支架，所述光纤支架设置于所述筒体的内部；

光纤，所述光纤的一端与所述激光光源进行光耦合，所述光纤的另一端由所述光纤支架固定于所述光准直透镜组件的焦点上，从而所述光纤将所述激光光源发射的激光从所述筒体的外部引导至所述筒体的内部并准直出射的。

6.如权利要求5所述的激光气体检测装置，其特征在于，所述筒体表面的至少一部分向所述筒体内部凹陷，形成为一个或多个安装槽，所述激光光源进入所述安装槽内安装固定。

7.如权利要求1所述的激光气体检测装置，其特征在于，所述光接收透镜组件具有用于准直所述激光发射装置发出的激光的光准直区域，所述光准直区域的光焦度大于所述光接收透镜组件的其余区域的光焦度，且所述光准直区域设置于所述光接收透镜组件的外缘区域。

8.如权利要求1-7中任一项所述的激光气体检测装置，其特征在于，所述光接收透镜组件、至少一部分所述激光发射装置及所述光探测器均与所述筒体固定连接。

9.一种手持式或云台式激光气体检测设备，其特征在于，所述手持式或云台式激光气体检测设备具有如权利要求1-8中任一项所述的激光气体检测装置。

10.如权利要求9所述的手持式或云台式激光气体检测设备，其特征在于，所述激光气体检测装置用于检测的气体包括可燃性气体，该手持式或云台式激光气体检测设备还包括外壳，所述外壳套于所述筒体的外部，该外壳具有进光口，反射回的激光依次经过所述进光口及所述光接收透镜组件后被所述光探测器接收，所述进光口处设置有防爆玻璃。