CN109839364A - 一种基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头及检测装置 - Google Patents
一种基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头及检测装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109839364A CN109839364A CN201910223025.0A CN201910223025A CN109839364A CN 109839364 A CN109839364 A CN 109839364A CN 201910223025 A CN201910223025 A CN 201910223025A CN 109839364 A CN109839364 A CN 109839364A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- module
- light path
- optical path
- spiral
- path
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 118
- 239000000523 sample Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 27
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 24
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 13
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 8
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 4
- 230000005622 photoelectricity Effects 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 36
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 6
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 abstract 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 74
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 12
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 12
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 9
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 8
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 4
- 229920002994 synthetic fiber Polymers 0.000 description 4
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 3
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 3
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 3
- 238000011897 real-time detection Methods 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 230000003667 anti-reflective effect Effects 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 description 2
- 238000001307 laser spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 2
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 2
- 238000000041 tunable diode laser absorption spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 241000931526 Acer campestre Species 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 229920006351 engineering plastic Polymers 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000009738 saturating Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
- G01N21/03—Cuvette constructions
- G01N21/031—Multipass arrangements
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
- G01N2021/396—Type of laser source
- G01N2021/399—Diode laser
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本公开提供了一种基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头及检测装置,包括光源模块、螺旋光路模块和探测器模块，所述光源模块用于发出平行光信号，所述螺旋光路模块包括多个反射镜和多条直线光路，每条直线光路和它相邻的直线光路以一定角度首尾连通并向内呈螺旋状，两条相邻的直线光路之间可拆卸的固定有至少一个反射镜，所述螺旋光路模块用于增加光信号的光程长度，所述光信号经螺旋光路模块后进入探测器模块转换为电信号，本实施例所述的多点反射螺旋光路的设计不但在减小了传感器探头吸收池的容积而且增加了测量光程，同时也极大的提高了光路的稳定性和可靠行，在减少生产中的调试难度的同时，降低了生产加工成本。
Description
技术领域
本公开涉及激光光谱气体传感器技术领域，特别是涉及一种基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
近年来，利用红外激光光谱吸收原理来测量气体成分和浓度的光电测量仪器正在朝着高灵敏度，全量程，小体积，低成本的方向发展，以满足日益增长的环境安全检测和生产安全监测的要求。可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术利用了半导体激光器的可调谐、光谱窄线宽的特性,通过在被检测气体在光谱吸收峰处调谐激光波长方法，使激光波长可以精确地对准被测气体的吸收峰，实现对气体浓度的快速检测，同时，也避免了其它气体对测量的干扰。利用先进的数字信号处理技术，使这类传感器能够对被测气体浓度进行连续地测量,新型气体传感器同时具有自动诊断和自校正的功能，从而使这些激光光谱气体传感器能够广泛的应用到不同的生产过程和安全防范领域。
在实际工程应用中，用户常常需要在满足测量精度的前提下，要求尽量减少气体传感器探头的外形尺寸，在红外激光光谱吸收气体传感器探头中，体积最大的器件之一就是气体传感器的气室或气体吸收池，气体传感器的气室是由激光源和探测器之间的空间构成，由于激光光束在气室的测量光程长度和测量精度成正比，高精度的气体传感器则需要比较长的测量光程，而较长的测量光程会使得气室变长，导致传感器探头尺寸增大。因此，在传感器探头的尺寸受到限制的情况下，为了提高测量光程总长度，通常采用多个镜面或反射镜将光路在气室里经过多次反射，从而达到增加测量光程长度，并减小了气室体积以及传感探头的尺寸的目的。例如，在专利申请CN2017114551770中采用了带有四个通孔的光路模块，通过三个反射镜将四个通孔中的光束反射而形成一个“菱形光路的测量光路”，减小了传感探头的尺寸；在专利申请CN106908412A中采用了带有两个反射镜的光路模块，通过两个反射镜改变光路，使得相同体积下的气室光程增加了一倍以上，也同样达到了减小了传感探头的尺寸的目的，但是这些测量气室光路的主要问题是测量光程相对较短，当用在一些需要较长测量光程的气体(如CO)的测量时，其测量精度难以提高。
因此，本公开发明人认为目前亟待解决的问题如下：(1)气体传感器探头的小型化发展趋势使得气室进一步减小，进而导致测量光程进一步减小，无法提高测量精度；(2)组合式的光路设计每次使用都需要进行光路调整，无法保证光路的稳定性和准确性。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头及检测装置，在气体传感器探头的外形尺寸一定的情况下下，增加了测量光程总长度，从而极大的提高了气体浓度测量精度，通过将螺旋光路嵌入在一个完整的金属或合成材料块体中，极大的减少各个元件相对位置的变化的可能性，提高光路系统的稳定性和准确性。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
第一方面，本公开提供了一种基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头；
一种基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头,包括光源模块、螺旋光路模块和探测器模块，所述光源模块用于发出平行光信号，所述螺旋光路模块包括多个反射镜和多条直线光路，每条直线光路和它相邻的直线光路以一定角度首尾连通，所述直线光路依次连通并向内呈螺旋状，两条相邻的直线光路之间可拆卸的固定有至少一个反射镜，所述螺旋光路模块用于增加光信号的光程长度，所述光信号经螺旋光路模块后进入探测器模块，所述探测器模块将接收到的光信号转换为电信号。
作为可能的一些实现方式，每条直线光路和它相邻的直线光路相互垂直。
作为可能的一些实现方式，两条相邻的直线光路之间设有一个反射镜，所述反射镜与两条直线光路的夹角均为45°。
作为可能的一些实现方式，所述多点光反射螺旋光路的反射镜可以是粘贴在与直线光路成45°角的镜面底板上的平面反射镜，或是将镜面底板光学抛光、镀反射膜而形成的反射镜面，或者是由45°反射棱镜的反射面组成的反射镜面。
作为可能的一些实现方式，所述直线光路为N条，所述反射镜为N-1个，其中N为整数，且N≥5，第一直线光路的首端与光源模块连接，所述光源模块发出的平行光平行于第一直线光路的内壁进入第一直线光路，所述第一直线光路的尾端与第二直线的首端连通，其余光路按照上述方式以此连接，第N条光路的尾端与传感器模块连接，用于将光信号传输给传感器模块。
作为可能的一些实现方式，所述N条直线光路的长度逐渐递减，即第1条直线光路的长度小于第2条直线光路的长度，第2条直线光路的长度小于第3条直线光路的长度，第3条直线光路的长度小于第4条直线光路的长度，所述第N-1条直线光路的长度小于第N条直线光路的长度。
作为可能的一些实现方式，所述螺旋光路模块在一个块体材料上加工而成，所述块体材料可以是金属、工程塑料或合成材料，所述螺旋光路模块可通过机械加工或精密注塑形成；还包括第一盖板，所述第一盖板可拆卸的固定在螺旋光路的上部，所述第一盖板用于控制待测气体的进出，所述螺旋光路和第一盖板所形成的空腔为容纳待测气体的气体吸收池。
作为可能的一些实现方式，所述光源模块为VCSEL激光器平行光光源，VCSEL激光器平行光光源由VCSEL激光源和平行光透镜组成，所述平行激光源发出的平行光束经过N-1个反射镜反射后，被光电探测器接收，形成测量中电信号输出。
作为可能的一些实现方式，所述探测器模块为光电探测器，所述光电探测器前设置有一个将平行光聚焦在探测敏感面上的透镜。
作为可能的一些实现方式，还包括第二盖板、调谐电路模块和信号处理模块，所述驱动电路模块用于光源模块的驱动，所述信号处理模块用于接收探测器模块的电信号并进行信号处理，所述驱动电路模块和信号处理模块设于螺旋光路模块的下部，所述螺旋光路模块设置于所述第一盖板和第二盖板围成的壳体中。
作为可能的一些实现方式，所述第一盖板上设有第一进气孔，所述第一进气孔处设有烧结过滤网，待测气体通过烧结过滤网扩散进入所述气体吸收池中。
作为可能的一些实现方式，所述螺旋光路模块的底部设有第一通孔，所述第一通孔用于安装测量气室压力和温度的传感器。
作为可能的一些实现方式，所述直线光路和第一盖板内壁涂有用于减少反射光的黑色涂层。
作为可能的一些实现方式，当光电探测器所接收的入射激光是经过一定浓度的待测气体调制过后，其输出信号则带有待测气体在其吸收光谱处吸收强弱的信息。
作为可能的一些实现方式，所述入射光束在多点光反射螺旋光路中的反射次数由传感器探头的外形尺寸大小和光路的宽窄决定，所述多点反射的次数决定了光束在光反射光路内的测量光程总长度。
作为可能的一些实现方式，所述光源模块与驱动模块相连，所述探测器模块与信号处理模块相连。
作为可能的一些实现方式，本公开所述的光电气体传感器探头安置在一个带有金属滤网的不锈钢壳体中。
第二方面，本公开提供了一种光电气体检测装置；
一种光电气体检测装置，包括本公开所述的多点反射螺旋光路的光电气体传感器探头。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
本公开所述的多点反射螺旋光路光电气体传感器探头的气体吸收池采用了单一的二维多点反射螺旋光路，由于整个光路是嵌入在一个完整的金属或合成材料模块中，从而减少各个元件相对位置的变化的可能性，提高光路系统的稳定性和准确性。
本公开通过二维多点反射螺旋光路的多次光束反射，在吸收池内增加了总的探测光程，有利于提高探测信噪比以及测量精度。
本公开所述的二维多点反射螺旋光路减小了传感器探头的体积，从而有效的减少了测量的响应时间。
本公开通过采用平行光光源和带有聚焦透镜的光电探测器的收发设计，利用精密机械加的高精度和尺寸一致性，保证了镜面的入射角精度，从而在实际生产中减少了调节光路的难度，本公开整体发明设计不仅减少了生产工艺的复杂性，也提高产品的成品率，便利于大规模生产。
本公开所述的内容在螺旋光路模块底部设置通孔用于放置温度和气压传感器，用来实时检测气体吸收池中的温度和气压值，测得的温度和气压信息将用来补偿由于环境温度和当地气压波动引起的参数变化，从而进一步提高气体的测量精度。
本公开所述的每条直线光路和它相邻的直线光路相互垂直，两条相邻的直线光路之间设有一个反射镜，所述反射镜与两条直线光路的夹角均为45°，相互垂直的光路涉及和45°的夹角设立，有利于进行螺旋光路的加工和反射镜的放置以形成标准光路，从而极大的提高了光路的稳定性和测试准确性。
本公开所述直线光路为N条，所述反射镜为N-1个，其中N为整数，且N≥5，即直线光路最少为5条，从而可以有效的提高测量光程，提高了测试精度。
本公开所述的的上盖上部设有烧结过滤网，可有效的防止灰尘、杂质等进入吸收池内部污染光路中的光学元件，而且可以在维护时随时更换。
本公开所述的螺旋光路设于第一盖板和第二盖板围成的壳体中，即方便拆卸进行螺旋光路的维护，又有效的提高了光路的稳定性，减少了外界对光路的影响。
本公开所述的气体吸收池的内壁上涂有减少反射光的涂层，从而有效的保证了光信号的传输的完整性，保证光尽可能的只通过反射镜进行反射传输。
附图说明
图1为本公开实施例1所述的螺旋光路示意图。
图2为本公开实施例1所述的螺旋光路侧视图。
图3为本公开实施例1所述的螺旋光路位于不锈钢壳体中的示意图。
图4为本公开实施例2所述的螺旋光路示意图。
图5为本公开实施例2所述的螺旋光路侧意图。
图6为本公开实施例2所述的螺旋光路位于不锈钢壳体中的示意图。
1-光路块体；2-反射镜；3-螺旋光路；4-光电探测器；5-第一通孔；6-VCSEL激光器平行激光光源；7-金属烧结过滤网；8-第一进气孔；9-上盖；10-下盖；11-电源驱动模块；12-光电探测器信号处理模块。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1：
如图1-3所述，本公开实施例1提供了一种基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头，包括：光路块体1、5个反射镜2和6条直线光路组成的螺旋光路模块3、上盖9、下盖10、VCSEL激光器平行激光光源6、光电探测器4以及光源驱动电路11和光电探测器信号处理电路12，所述螺旋光路模块3为在一个光路块体1上加工而成，每条直线光路和它相邻的直线光路以一定角度首尾连通，所述直线光路依次连通并向内呈螺旋状，所述光路块体1可以是金属、塑料或者合成材料等固体材料，所述螺旋光路模块可通过机械加工或精密注塑形成。
所述螺旋光路模块3设置在由探头上盖9和探头下盖10组成的不锈钢壳体之中，所述上盖9和下盖10为圆柱形盖板，上盖9设于螺旋光路的顶部，下盖10设于螺旋光路的底部，上盖9上设有第一进气孔8，螺旋光路模块3的内腔以及上盖9之间的空腔组成气体吸收池，所述上盖9和螺旋光路模块3的内壁涂有黑色减反射光涂层，以便减少杂散光的干扰并起到防腐蚀的作用；被测气体经过设有金属烧结过滤网7从第一进气孔8扩散进入所述气体吸收池中，所述金属烧结过滤网7是用来防止灰尘、杂质等进入吸收池内部污染光路中的光学元件，可以在维护时更换金属烧结过滤网7以保持较好的防尘效果。
本实施例所述的5个反射镜2可以是粘贴在和直线光路成45°角的镜面底板上的平面反射镜，或是将镜面底板光学抛光、镀反射膜而形成的反射镜面，或者是由45°反射棱镜的反射面组成的反射镜面，5个反射镜2面将沿直线光路入射的平行激光束进行多次反射，入射光和反射光束相互成90°夹角，经过多次反射的光束到达光电探测器4又经聚焦透镜汇聚在光电探测器4的光敏面上，形成电信号；本公开所述的反射镜2与相邻两个直线光路的夹角可以根据需要调整，只要能满足入射光和反射光相互成90°夹角即可。
本实施例所述的光源模块是自带光强探测器的可调制光强度的平行激光源，该激光源可以是一个低功耗的垂直腔面发射激光器(VCSEL)，也可以是一个DFB激光器，本实施例中所述光源模块为VCSEL激光器平行激光光源6，所述VCSEL激光器平行激光光源6由VCSEL激光源和平行光透镜组成，所述VCSEL激光源为可调谐电源，通过自带的调谐电路进行调谐，所述VCSEL激光器平行激光光源6的封装帽中安装了一个光强探测器，该光强探测器可以对激光光源的光强变化进行实时检测。
本实施例所述的VCSEL激光器平行激光光源6发出的平行光束在气体吸收池中经过所述的5个反射镜2反射，从VCSEL激光器平行激光光源6到第一个反射镜之间、每两个反射镜之间、从最后一个反射镜到探测器之间都有不同长度的直线光路，而直线光路的长度是逐渐减小的，也可以是其中的某几条直线光路长度相同，但是总体趋势是直线光路的长度逐渐减小，如图1所述，第一直线光路、第二直线光路和第三直线光路等最外侧的直线光路的长度可以相同，也可以是长度逐渐递减，所以第四直线光路、第五直线光路和第六直线光路的长度可以相同，也可以是长度逐渐递减，这些直线光路形成了一个螺旋形光路结构，各个直线光路的长度也可以根据实际需要进行调整，以尽可能的提高测量光程，从而提高测试精度，反射光束通过第六直线光路后被所述的光探测器4接收，所述光电探测器4和光电探测器信号处理模块相连，被光探测器测量接收的光信号经过信号处理后以数字信号的形式从输出信号线输出。
在螺旋光路模块3下部设置有一个第一通孔5，所述第一通孔5内设有温度和气压传感器，用于实时检测气体吸收池中的温度和气压值，测得的温度和气压信息将用来补偿由于环境温度和当地气压波动引起的参数变化，以便进一步提高测量气体精度。
本实施例所述的传感器探头还包括一个电子处理电路，用于调制激光源的发光强度以及放大和调整光探测器的测量信号，电源驱动模块11和光电探测器信号处理模块12放置在螺旋光路模块3下边，并由下盖10保护起来。
本公开实施例1所述的气体传感器探头的工作原理为：
处于工作状态时，所述VCSEL激光器平行激光光源6被调谐并发出平行光，该平行光束先后经过5个反射镜2反射，到达光电探测器4，然后被光电探测器4接收，形成测量信号，由于该光电探测器所接收光信号是经过被测待测气体调制过的，其输出信号则带有被测待测气体吸收光谱的信息，经过连接在光电探测器上的信号处理模块处理，形成测量气体浓度的测量信号；本实施例所述的多点反射螺旋光路的设计不但减小了传感器探头吸收池的容积而且增加了测量光程，同时也极大的提高了光路的稳定性和可靠行，在减少生产中的调试难度的同时，降低了生产加工成本。
本公开还提供了一种光电气体检测装置，包括本公开实施例1所述的的光电气体传感器探头。
实施例2：
如图4-6所述，本公开实施例2提供了一种基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头，包括：光路块体1、13个反射镜2和14条直线光路组成的螺旋光路模块3、上盖9、下盖10、VCSEL激光器平行激光光源6、光电探测器4以及光源驱动电路11和光电探测器信号处理电路12，所述螺旋光路模块3为在一个光路块体1上加工而成，每条直线光路和它相邻的直线光路以一定角度首尾连通，所述直线光路依次连通并向内呈螺旋状，所述光路块体1可以是金属、塑料或者合成材料等固体材料，所述螺旋光路模块可通过机械加工或精密注塑形成。
所述螺旋光路模块3设置在由探头上盖9和探头下盖10组成的不锈钢壳体之中，所述上盖9和下盖10为方柱形盖板，上盖9设于螺旋光路的顶部，下盖10设于螺旋光路的底部，上盖9上设有第一进气孔8，螺旋光路模块3的内腔以及上盖9之间的空腔组成气体吸收池，所述的上盖9和螺旋光路模块3的内壁涂有黑色减反射光涂层，以便减少杂散光的干扰并起到防腐蚀的作用；被测气体经过设有金属烧结过滤网7从第一进气孔8扩散进入所述气体吸收池中，所述金属烧结过滤网7是用来防止灰尘、杂质等进入吸收池内部污染光路中的光学元件，可以在维护时更换金属烧结过滤网7以保持较好的防尘效果。
本实施例所述的13个反射镜2可以是粘贴在和直线光路成45°角的镜面底板上的平面反射镜，或是将镜面底板光学抛光、镀反射膜而形成的反射镜面，或者是由45°反射棱镜的反射面组成的反射镜面，13个反射镜2面将沿直线光路入射的平行激光束进行多次反射，入射光和反射光束相互成90°夹角，经过多次反射的光束到达光电探测器4又经聚焦透镜汇聚在光电探测器4的光敏面上，形成电信号；
本公开所述的反射镜2与相邻两个直线光路的夹角可以根据需要调整，只要能满足入射光和反射光相互成90°夹角即可。
本实施例所述的光源模块是自带光强探测器的可调制光强度的平行激光源，该激光源可以是一个低功耗的垂直腔面发射激光器(VCSEL)，也可以是一个DFB激光器，本实施例中所述光源模块为VCSEL激光器平行激光光源6，所述VCSEL激光器平行激光光源6由VCSEL激光源和平行光透镜组成，所述VCSEL激光源为可调谐电源，通过自带的调谐电路进行调谐，所述VCSEL激光器平行激光光源6的封装帽中安装了一个光强探测器，该光强探测器可以对激光光源的光强变化进行实时检测。
本实施例所述的VCSEL激光器平行激光光源6发出的平行光束在气体吸收池中经过所述的13个反射镜2反射，从VCSEL激光器平行激光光源6到第一个反射镜之间、每两个反射镜之间、从最后一个反射镜到探测器之间都有不同长度的直线光路，而直线光路的长度是逐渐减小的，也可以是其中的某几条直线光路长度相同，但是总体趋势是直线光路的长度逐渐减小，如图4所述，第一直线光路、第二直线光路和第三直线光路等最外侧的直线光路的长度可以相同，也可以是长度逐渐递减，所以第四直线光路和第五直线光路的长度可以相同，也可以是长度逐渐递减，第六直线光路和第七直线光路的长度可以相同，也可以是长度逐渐递减，第八直线光路和第九直线光路的长度可以相同，也可以是长度逐渐递减，第十和第十一直线光路的长度可以相同，也可以是长度逐渐递减，第十二和第十三直线光路的长度可以相同，也可以是长度逐渐递减，这些直线光路形成了一个螺旋形光路结构，各个直线光路的长度也可以根据实际需要进行调整，以尽可能的提高测量光程，从而提高测试精度，反射光束通过第十四直线光路后被所述的光探测器4接收，本公开所述的直线光路形成了一个螺旋形光路结构，反射光束被所述的光探测器4接收，所述光电探测器4和光电探测器信号处理模块相连，被光探测器测量接收的光信号经过信号处理后以数字信号的形式从输出信号线输出。
在螺旋光路模块3下部设置有一个第一通孔5，所述第一通孔5内设有温度和气压传感器，用于实时检测气体吸收池中的温度和气压值，测得的温度和气压信息将用来补偿由于环境温度和当地气压波动引起的参数变化，以便进一步提高测量气体精度。
本实施例所述的传感器探头还包括一个电子处理电路，用于调制激光源的发光强度以及放大和调整光探测器的测量信号，电源驱动模块11和光电探测器信号处理模块12放置在螺旋光路模块3下边，并由下盖10保护起来。
本公开实施例2所述的气体传感器探头的工作原理为：
处于工作状态时，所述VCSEL激光器平行激光光源6被调谐并发出平行光，该平行光束先后经过13个反射镜2反射，到达光电探测器4，然后被光电探测器4接收，形成测量信号，由于该光电探测器所接收光信号是经过被测待测气体调制过的，其输出信号则带有被测待测气体吸收光谱的信息，经过连接在光电探测器上的信号处理模块处理，形成测量气体浓度的测量信号；本实施例所述的多点反射螺旋光路的设计不但减小了传感器探头吸收池的容积而且增加了测量光程，同时也极大的提高了光路的稳定性和可靠行，在减少生产中的调试难度的同时，降低了生产加工成本。
本公开还提供了一种光电气体检测装置，包括本公开实施例2所述的的光电气体传感器探头。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头,其特征在于，包括光源模块、螺旋光路模块和探测器模块，所述光源模块用于发出平行光信号，所述螺旋光路模块包括多个反射镜和多条直线光路，每条直线光路和它相邻的直线光路以一定角度首尾连通，所述直线光路依次连通并向内呈螺旋状，两条相邻的直线光路之间可拆卸的固定有至少一个反射镜，所述光信号经螺旋光路模块后进入探测器模块，所述探测器模块将接收到的光信号转换为电信号。
2.如权利要求1所述的基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头,其特征在于，每条直线光路和它相邻的直线光路相互垂直。
3.如权利要求2所述的基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头,其特征在于，两条相邻的直线光路之间设有一个反射镜，所述反射镜与两条直线光路的夹角均为45°。
4.如权利要求3所述的基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头,其特征在于，所述直线光路为N条，所述反射镜为N-1个，其中N为整数，且N≥5。
5.如权利要求1所述的基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头,其特征在于，所述螺旋光路模块在一个块体上加工而成，还包括第一盖板，所述第一盖板可拆卸的固定在螺旋光路的上部，所述第一盖板用于控制待测气体的进出，所述螺旋光路和第一盖板所形成的空腔为容纳待测气体的气体吸收池。
6.如权利要求5所述的基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头,其特征在于，还包括第二盖板、驱动电路模块和信号处理模块，所述驱动电路模块用于光源模块的驱动，所述信号处理模块用于接收探测器模块的电信号并进行信号处理，所述驱动电路模块和信号处理模块设于螺旋光路模块的下部，所述螺旋光路模块设置于所述第一盖板和第二盖板围成的壳体中。
7.如权利要求5所述的基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头,其特征在于，所述第一盖板上设有第一进气孔，所述第一进气孔处设有过滤网，待测气体通过过滤网扩散进入所述气体吸收池中。
8.如权利要求5所述的基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头,其特征在于，所述螺旋光路模块的底部设有第一通孔，所述第一通孔内安装有压力传感器和温度传感器。
9.如权利要求5所述的基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头,其特征在于，所述直线光路和第一盖板组成的气体吸收池内壁上涂有用于减少反射光的涂层。
10.一种光电气体检测装置，包括权利要求1-9任一项所述的多点反射螺旋光路的光电气体传感器探头。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910223025.0A CN109839364A (zh) | 2019-03-22 | 2019-03-22 | 一种基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头及检测装置 |
| DE102020107632.0A DE102020107632A1 (de) | 2019-03-22 | 2020-03-19 | Gassensorsonde und Detektionsvorrichtung basierend auf einem Spirallichtweg mit Mehrpunktreflexion |
| GB2003977.2A GB2583023B (en) | 2019-03-22 | 2020-03-19 | A gas sensor probe and a detection apparatus based on spiral light path with multiple-point reflection |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910223025.0A CN109839364A (zh) | 2019-03-22 | 2019-03-22 | 一种基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头及检测装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109839364A true CN109839364A (zh) | 2019-06-04 |
Family
ID=66886195
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910223025.0A Pending CN109839364A (zh) | 2019-03-22 | 2019-03-22 | 一种基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头及检测装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109839364A (zh) |
| DE (1) | DE102020107632A1 (zh) |
| GB (1) | GB2583023B (zh) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110361355A (zh) * | 2019-08-15 | 2019-10-22 | 深圳市诺安环境安全股份有限公司 | 螺旋形气体浓度检测装置及其制作方法、报警装置 |
| CN110632008A (zh) * | 2019-09-26 | 2019-12-31 | 山东微感光电子有限公司 | 一种多点反射式光电气体传感器探头及光电气体检测装置 |
| CN110849809A (zh) * | 2019-12-19 | 2020-02-28 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种多档可变气体吸收池 |
| CN111157474A (zh) * | 2018-11-08 | 2020-05-15 | 中国石油化工股份有限公司 | 紧凑型气体检测仪 |
| GB2583023A (en) * | 2019-03-22 | 2020-10-14 | Laser Inst Of Shandong Academy Of Science | A gas sensor probe and a detection apparatus based on spiral light path with multiple-point reflection |
| CN112067572A (zh) * | 2020-09-14 | 2020-12-11 | 深圳市诺安环境安全股份有限公司 | 一种高稳定的小型红外气体传感器及制作、实现方法 |
| CN113406001A (zh) * | 2021-06-30 | 2021-09-17 | 广东感芯激光科技有限公司 | 一种光电气体传感器探头及光电气体检测装置 |
| CN113447442A (zh) * | 2021-05-07 | 2021-09-28 | 上海大学 | 一种基于毛细管的便携式长光程气体吸收池 |
| CN114047132A (zh) * | 2022-01-11 | 2022-02-15 | 山东省科学院激光研究所 | 一种多气体检测的长光程气体吸收池 |
| CN114047134A (zh) * | 2022-01-13 | 2022-02-15 | 山东省科学院激光研究所 | 一种基于多层结构的长光程气体吸收池 |
| CN115015150A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-09-06 | 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 | 一种多通道冗余型高精度可燃气体浓度传感器 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112649389B (zh) * | 2020-12-07 | 2022-03-08 | 珠海格力电器股份有限公司 | 传感器光路组件、气体传感器及测量方法和空调系统 |
| CN113655031A (zh) * | 2021-08-02 | 2021-11-16 | 南京泰晟科技实业有限公司 | 一种汽车有害气体检测系统及其方法 |
| CN115639650B (zh) * | 2022-12-26 | 2023-09-15 | 武汉乾希科技有限公司 | 光发射接收组件激光器以及光模块 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3813569A1 (de) * | 1987-05-20 | 1989-11-02 | Fraunhofer Ges Forschung | Gaslaser |
| CN201194002Y (zh) * | 2008-03-13 | 2009-02-11 | 淄博爱迪尔计算机软件有限公司 | 气体浓度传感器吸收光池 |
| CN102507490A (zh) * | 2011-09-29 | 2012-06-20 | 热映光电股份有限公司 | 气体侦测器 |
| CN103398950A (zh) * | 2013-08-20 | 2013-11-20 | 天津亿利科能源科技发展股份有限公司 | 一种用于气相监测的阵列式多光程系统 |
| CN204314209U (zh) * | 2014-12-17 | 2015-05-06 | 邓文平 | 样品测量池 |
| CN105181645A (zh) * | 2015-10-10 | 2015-12-23 | 太原科技大学 | 一种测量气体浓度的螺旋型多光程装置 |
| CN205157412U (zh) * | 2015-10-10 | 2016-04-13 | 太原科技大学 | 一种测量气体浓度的光学吸收池 |
| CN108051404A (zh) * | 2017-12-27 | 2018-05-18 | 山东微感光电子有限公司 | 一种传感器探头及气体检测装置 |
| CN207717616U (zh) * | 2017-12-27 | 2018-08-10 | 山东微感光电子有限公司 | 一种传感器探头及气体检测装置 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10216047A1 (de) * | 2002-04-11 | 2003-10-23 | Univ Albert Ludwigs Freiburg | Monolithische Multi-Pass-Zelle |
| DE102008027666A1 (de) * | 2008-06-10 | 2009-12-17 | Optoprecision Gmbh | Modulare optische Langwegzelle |
| CN101825566B (zh) * | 2010-03-24 | 2011-09-14 | 郑州炜盛电子科技有限公司 | 高分辨率红外气体传感器 |
| CN102128804B (zh) * | 2010-11-12 | 2013-06-19 | 上海芯敏微系统技术有限公司 | 一种侧壁进/出气的红外气体传感器 |
| CN108931504B (zh) * | 2018-05-30 | 2020-12-25 | 山东省科学院激光研究所 | 一种环形多点反射式光电气体传感器探头 |
| CN209624375U (zh) * | 2019-01-24 | 2019-11-12 | 深圳市美克森电子有限公司 | 一种具有螺旋腔体的气体传感器 |
| CN109839364A (zh) * | 2019-03-22 | 2019-06-04 | 山东微感光电子有限公司 | 一种基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头及检测装置 |
| CN110632008B (zh) * | 2019-09-26 | 2022-12-06 | 山东微感光电子有限公司 | 一种多点反射式光电气体传感器探头及光电气体检测装置 |
-
2019
- 2019-03-22 CN CN201910223025.0A patent/CN109839364A/zh active Pending
-
2020
- 2020-03-19 GB GB2003977.2A patent/GB2583023B/en active Active
- 2020-03-19 DE DE102020107632.0A patent/DE102020107632A1/de active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3813569A1 (de) * | 1987-05-20 | 1989-11-02 | Fraunhofer Ges Forschung | Gaslaser |
| CN201194002Y (zh) * | 2008-03-13 | 2009-02-11 | 淄博爱迪尔计算机软件有限公司 | 气体浓度传感器吸收光池 |
| CN102507490A (zh) * | 2011-09-29 | 2012-06-20 | 热映光电股份有限公司 | 气体侦测器 |
| CN103398950A (zh) * | 2013-08-20 | 2013-11-20 | 天津亿利科能源科技发展股份有限公司 | 一种用于气相监测的阵列式多光程系统 |
| CN204314209U (zh) * | 2014-12-17 | 2015-05-06 | 邓文平 | 样品测量池 |
| CN105181645A (zh) * | 2015-10-10 | 2015-12-23 | 太原科技大学 | 一种测量气体浓度的螺旋型多光程装置 |
| CN205157412U (zh) * | 2015-10-10 | 2016-04-13 | 太原科技大学 | 一种测量气体浓度的光学吸收池 |
| CN108051404A (zh) * | 2017-12-27 | 2018-05-18 | 山东微感光电子有限公司 | 一种传感器探头及气体检测装置 |
| CN207717616U (zh) * | 2017-12-27 | 2018-08-10 | 山东微感光电子有限公司 | 一种传感器探头及气体检测装置 |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111157474A (zh) * | 2018-11-08 | 2020-05-15 | 中国石油化工股份有限公司 | 紧凑型气体检测仪 |
| GB2583023A (en) * | 2019-03-22 | 2020-10-14 | Laser Inst Of Shandong Academy Of Science | A gas sensor probe and a detection apparatus based on spiral light path with multiple-point reflection |
| GB2583023B (en) * | 2019-03-22 | 2021-10-27 | Laser Inst Of Shandong Academy Of Science | A gas sensor probe and a detection apparatus based on spiral light path with multiple-point reflection |
| CN110361355A (zh) * | 2019-08-15 | 2019-10-22 | 深圳市诺安环境安全股份有限公司 | 螺旋形气体浓度检测装置及其制作方法、报警装置 |
| CN110361355B (zh) * | 2019-08-15 | 2024-01-05 | 深圳市诺安智能股份有限公司 | 螺旋形气体浓度检测装置及其制作方法、报警装置 |
| CN110632008A (zh) * | 2019-09-26 | 2019-12-31 | 山东微感光电子有限公司 | 一种多点反射式光电气体传感器探头及光电气体检测装置 |
| CN110849809A (zh) * | 2019-12-19 | 2020-02-28 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种多档可变气体吸收池 |
| CN112067572A (zh) * | 2020-09-14 | 2020-12-11 | 深圳市诺安环境安全股份有限公司 | 一种高稳定的小型红外气体传感器及制作、实现方法 |
| CN113447442B (zh) * | 2021-05-07 | 2023-03-31 | 上海大学 | 一种基于毛细管的便携式长光程气体吸收池 |
| CN113447442A (zh) * | 2021-05-07 | 2021-09-28 | 上海大学 | 一种基于毛细管的便携式长光程气体吸收池 |
| CN113406001A (zh) * | 2021-06-30 | 2021-09-17 | 广东感芯激光科技有限公司 | 一种光电气体传感器探头及光电气体检测装置 |
| WO2023272892A1 (zh) * | 2021-06-30 | 2023-01-05 | 广东感芯激光科技有限公司 | 一种光电气体传感器探头及光电气体检测装置 |
| CN114047132A (zh) * | 2022-01-11 | 2022-02-15 | 山东省科学院激光研究所 | 一种多气体检测的长光程气体吸收池 |
| CN114047134A (zh) * | 2022-01-13 | 2022-02-15 | 山东省科学院激光研究所 | 一种基于多层结构的长光程气体吸收池 |
| CN115015150A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-09-06 | 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 | 一种多通道冗余型高精度可燃气体浓度传感器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102020107632A1 (de) | 2020-09-24 |
| GB2583023A (en) | 2020-10-14 |
| GB2583023B (en) | 2021-10-27 |
| GB202003977D0 (en) | 2020-05-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109839364A (zh) | 一种基于多点反射螺旋光路的气体传感器探头及检测装置 | |
| CN100401041C (zh) | 光波导吸收式气体传感器及测量系统 | |
| CN108931504A (zh) | 一种环形多点反射式光电气体传感器探头 | |
| Flaschka et al. | Light emitting diodes and phototransistors in photometric modules | |
| CN101581770B (zh) | 一种led灯具流明效率测试方法 | |
| US20230324281A1 (en) | Two-dimensional multi-point-reflection long-optical-path gas sensor probe and gas sensor | |
| CN201373734Y (zh) | 分辨率可调通用游标式光栅读数头 | |
| CN101105449A (zh) | 双光源双敏感元件红外多气体检测传感器 | |
| CN102192723A (zh) | 光学式测距传感器以及电子仪器 | |
| CN105181645A (zh) | 一种测量气体浓度的螺旋型多光程装置 | |
| CN103411676A (zh) | 一种利用线性可变滤光片测量物体颜色的测色仪 | |
| KR20150077302A (ko) | 파장 중심 검출 기반 센서 장치 및 방법 | |
| CN101782428A (zh) | 光谱自校正光度计及其测量方法 | |
| CN101592601A (zh) | 高效小体积红外气体传感器 | |
| CN111060470A (zh) | 带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头及检测装置 | |
| CN110632008B (zh) | 一种多点反射式光电气体传感器探头及光电气体检测装置 | |
| RU75885U1 (ru) | Оптический газовый сенсор на основе иммерсионных диодных оптопар | |
| CN1945284A (zh) | 单片双芯或多芯半导体激光气体传感器、制作及使用方法 | |
| CN108872100A (zh) | 一种多次增强光谱高精度氨气检测装置及检测方法 | |
| CN201429463Y (zh) | 一种led灯具流明效率测试装置 | |
| CN101592599A (zh) | 宽谱光源红外气体传感器吸收腔 | |
| CN214668563U (zh) | 一种本安型小型红外气体传感器 | |
| CN100575926C (zh) | 反射式光纤生化传感装置 | |
| CN107167243A (zh) | 一种基于tcs3200d的四通道颜色识别系统 | |
| CN106770021A (zh) | 一种用于气体光谱吸收检测的空间光反射式气体池 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |