CN110501299A - 一种自动对光长光程有毒有害气体监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自动对光长光程有毒有害气体监测系统，包含固定装置、凹面反射镜、平面反射镜、光源和隅角镜；固定装置、凹面反射镜、平面反射镜和光源分别设于底板上，凹面反射镜、平面反射镜、光源和隅角镜依次设置；底板连接调节系统，固定装置连接光纤，光纤的一端在固定装置上形成入射端面，光纤的另一端依次连接光谱仪和计算机处理系统，计算机处理系统连接调节系统；凹面反射镜的中心设有小孔，固定装置和凹面反射镜之间设有半透半反镜，半透半反镜的上方设有CCD成像装置，CCD成像装置连接计算机处理系统。本发明能够自动调整系统的工作状态，保证测量结果的准确性，提高系统工作的稳定性，使系统长期处于最佳的工作状态。

Description

一种自动对光长光程有毒有害气体监测系统及其监测方法

技术领域

本发明涉及大气监测技术领域，具体涉及一种自动对光长光程有毒有害气体监测系统及其监测方法。

背景技术

人类工业技术的进步，给日常生活带来极大便利，同时环境中各种污染物浓度的增加对人类健康，生态环境造成了严重影响。对大气中的污染物浓度进行连续实时监测逐渐成为一项重要课题。1979年，Platt等人首次提出了差分吸收光谱（DOAS）法用于同时对多种大气污染气体实时在线监测（Platt U, Pemer D. “Simultaneous measurements ofatmospheric CH2O, O3, NO2 by differential optical absorption”. Geophys Res,1979, 84:6329~6335）。DOAS方法将氙灯发出的紫外-可见光发射进入被测大气环境，通过反射单元反射，光线平行返回分析设备。由于大气中的特征污染气体在入射光波长范围内具有特征吸收，利用差分吸收算法，对接收到光线进行分析就可以确定大气中污染气体的种类和浓度。

在DOAS系统中，光的发射单元和接收单元可以合并成一个整体（John M C Plane,Chiar Fu Nien.“Differential optical absorption spectrometer for measuringatmospheric trace gases”. Rev Sci Instrum, 1992, 60(3):1867~1877），通过距离仪器一定距离的角反射镜将发射出去的光束原路反射回接收单元。这种DOAS方法监测大气污染有以下几大优点：可以同时监测多种污染气体、精度高、监测范围广等。但是，环境监测设备属于监测设备需要常年每日24小时工作，长时间监测过程中由于温度的变化，环境振动等因素，出射光经过长距离传播，不能准确入射远距离处的隅角镜，造成反射光光强大福减弱，而单纯通过光强变化无法知道光线偏离方向，这给自动对光调节带来极大困难，因此设备需要定期认为进行调节，以保证接受光强足够。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种自动对光长光程有毒有害气体监测系统，能够实时调整光纤光斑相对入射端面的位置，保证光纤接收的光强度最大，设备稳定性高；本发明还提供一种有毒有害气体的监测方法，监测结果的准确性高。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自动对光长光程有毒有害气体监测系统，包含固定装置、凹面反射镜、平面反射镜、光源和隅角镜；

所述固定装置、所述凹面反射镜、所述平面反射镜和所述光源分别设于底板上，所述凹面反射镜、所述平面反射镜、所述光源和所述隅角镜依次设置；

所述固定装置连接光纤，所述光纤的一端在所述固定装置上形成入射端面，所述光纤的另一端依次连接光谱仪和计算机处理系统；

所述底板连接调节系统，所述调节系统能够驱动所述底板水平和竖直移动，所述计算机处理系统连接所述调节系统；

所述凹面反射镜的中心设有小孔，所述凹面反射镜能够将所述光源发出的光平行反射；所述隅角镜能够将所述凹面反射镜平行反射的光反射，所述凹面反射镜将所述隅角镜反射的光聚焦反射；

所述平面反射镜能够将所述凹面反射镜聚焦反射的光反射到所述入射端面并形成光斑；

所述固定装置和所述凹面反射镜之间设有半透半反镜，所述半透半反镜的上方设有CCD成像装置，所述半透半反镜能够将所述光斑相对所述入射端面的位置偏差反射给所述CCD成像装置，所述CCD成像装置连接所述计算机处理系统。

进一步地，所述光源为氙灯光源。

进一步地，所述调节系统包含驱动结构和控制仪，所述驱动结构与所述底板靠近所述光源的一端连接，所述控制仪分别与所述驱动结构和所述计算机处理系统连接。

进一步地，所述调节系统还包含万向支撑结构，所述万向支撑结构与所述驱动结构分别连接所述底板的两端，所述万向支撑结构能配合所述底板移动装置实现所述底板水平和竖直移动。

一种有毒有害气体的监测方法，利用上述自动对光长光程有毒有害气体监测系统，所述监测方法包含：

步骤1、将监测系统安装调试，打开光源并发射光，光经凹面反射镜和隅角镜反射后在平面反射镜上聚焦，平面反射镜将聚焦的光反射再经小孔和入射端面进入接收光纤，再由光谱仪和计算机处理系统进行分析处理，得监测结果；

步骤2、在步骤1中，反射光线入射至入射端面时形成光斑，半透半反镜将光斑与入射端面的位置偏差实时反射给CCD成像装置，CCD成像装置将该位置偏差处理后传输给计算机处理系统，再由计算机处理系统分析计算底板的调节方向；

步骤3、计算机处理系统将计算好的底板调节信息传递给控制仪，由控制仪控制驱动结构驱动底板按照调节信息进行移动，直至光斑与入射端面的位置偏差达到最佳。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：本发明的一种自动对光长光程有毒有害气体监测系统，通过半透半反镜与CCD成像装置拍摄光斑相对入射端面的位置偏差，在通过计算机处理系统计算底板需要调整的方向，调节系统根据该方向对底板进行调整，使得光斑与入射端面重合，光纤接收到最强的光，克服了外界环境变化对监测结果的影响，保证了测量结果的准确性，且极大地提高了系统的稳定性，使系统长期处于稳定的工作状态；本发明还提供一种有毒有害气体的监测方法，监测结果准确，成本低，效率高。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例中CCD靶面成像示意图。

图中：1--光谱仪、2--光纤、3--固定装置、4--CCD成像装置、5--半透半反镜、6--凹面反射镜、7--平面反射镜、8--光源、9--隅角镜、10--计算机处理系统、11--万向支撑结构、12--底板、13--驱动结构、14--控制仪、20--光纤夹头、21--入射端面、22--光斑。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，一种自动对光长光程有毒有害气体监测系统，包含固定装置3、凹面反射镜6、平面反射镜7、光源8和隅角镜9；

具体地，固定装置3、凹面反射镜6、平面反射镜7和光源8分别设于底板12上，凹面反射镜6、平面反射镜7、光源8和隅角镜9依次设置；

固定装置3连接光纤2，光纤2的一端由设于固定装置3靠近凹面反射镜一侧的光纤夹头20固定，并形成入射端面22，外界光线能够由入射端面22进入光纤2；光纤2的另一端依次连接光谱仪1和计算机处理系统10，光谱仪1能够分析由入射端面22进入到光纤2内的光，再将该分析结果输送给计算机处理系统10；

底板12连接调节系统，调节系统能够驱动底板12水平和竖直移动，计算机处理系统10连接调节系统，计算机处理系统10能够控制调节系统，进而驱动底板12移动；

凹面反射镜6的中心设有小孔，凹面反射镜6能够将光源8发出的光平行反射；隅角镜9能够将凹面反射镜6平行反射的光反射，凹面反射镜6将隅角镜9反射的光聚焦反射；

平面反射镜7能够将凹面反射镜6聚焦反射的光反射到入射端面22并形成光斑23；

光源8发射光，分别依次经由凹面反射镜6平行反射、隅角镜9反射、凹面反射镜6聚焦反射、平面反射镜7反射后，穿过凹面反射镜6中心的小孔后到达固定装置3上的入射端面，随后经光纤2进入光谱仪1，经光谱仪1分析后将分析结果传递给计算机处理系统10；

当监测环境中的温度、振动等因素发生变化时，平面反射镜7反射的聚焦的光线不能完全对准入射端面22，即光斑23相对入射端面22会存在位置偏差，而使光谱仪1通过光纤2接收到的光线强度不够，导致监测结果准确性差；

固定装置3和凹面反射镜6之间设有半透半反镜5，半透半反镜5的上方设有CCD成像装置4，半透半反镜5能够将光斑23相对入射端面22的位置偏差反射给CCD成像装置4， CCD成像装置4连接计算机处理系统10；

当光斑23与入射端面22的位置之间存在偏差时，计算机处理系统10能够根据CCD成像装置4传输的偏差信息进行分析，计算出光线进入入射端面22的调整方向，计算机处理系统10控制调节系统对底板12进行相应的调节，进而使入射光在固定装置3上产生的光斑23与入射端面22匹配，使光谱接收到的光强度最大。

本发明的一种自动对光长光程有毒有害气体监测系统，通过半透半反镜5与CCD成像装置4拍摄光斑23相对入射端面22的位置偏差，在通过计算机处理系统10计算底板12需要调整的方向，调节系统根据该方向对底板12进行调整，使得光斑23与入射端面22重合，光纤2接收到最强的光，克服了外界环境变化对监测结果的影响，保证了测量结果的准确性，且极大地提高了系统的稳定性，使系统长期处于稳定的工作状态。

在本发明的一个实施例中，光源8为氙灯光源。

在本发明的另一个实施例中，调节系统包含驱动结构13和控制仪14，驱动结构13与底板12靠近光源8的一端连接，驱动结构13能够驱动底板12竖直和水平移动，控制仪14分别与驱动结构13和计算机处理系统10连接；

计算机处理系统10将计算出的调整方向信息传递给控制仪14，控制仪14能够根据该控制信息控制驱动结构13对底板12位置进行相应的调节，直至光斑23与入射端面22的位置偏差达到最佳。

优选地，调节系统还包含万向支撑结构11，万向支撑结构11与底板12移动结构分别连接底板12的两端，万向支撑结构11能配合底板移动装置13实现底板12水平和竖直移动。

一种有毒有害气体的监测方法，利用上述自动对光长光程有毒有害气体监测系统，监测方法包含：

步骤1、将监测系统根据监测环境进行安装调试，完成准备工作；随后打开光源8并发射紫外可见光，紫外可见光经凹面反射镜6和隅角镜9反射后在平面反射镜7上聚焦，平面反射镜7将聚焦的紫外可见光反射再经凹面反射镜6中心的小孔和入射端面22进入接收光纤2，再由光谱仪1和计算机处理系统10进行分析处理，得有毒有害气体的种类和浓度；

步骤2、在步骤1中，反射光线入射至入射端面22时形成光斑23，半透半反镜5将光斑23与入射端面22的位置偏差实时反射给CCD成像装置4，CCD成像装置4将该位置偏差处理后传输给计算机处理系统10，再由计算机处理系统10分析计算底板12的调节方向；

步骤3、计算机处理系统10将计算好的底板12调节信息传递给控制仪14，由控制仪14控制驱动结构13驱动底板12按照调节信息进行移动，直至光斑23与入射端面22的位置偏差达到最佳，保证光谱仪1接收到的光强最大，确保监测结果准确。

本发明的一种有毒有害气体的监测方法，监测结果准确，成本低，效率高。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种自动对光长光程有毒有害气体监测系统，其特征在于，包含固定装置、凹面反射镜、平面反射镜、光源和隅角镜；

所述固定装置、所述凹面反射镜、所述平面反射镜和所述光源分别设于底板上，所述凹面反射镜、所述平面反射镜、所述光源和所述隅角镜依次设置；

所述固定装置连接光纤，所述光纤的一端在所述固定装置上形成入射端面，所述光纤的另一端依次连接光谱仪和计算机处理系统；

所述底板连接调节系统，所述调节系统能够驱动所述底板水平和竖直移动，所述计算机处理系统连接所述调节系统；

所述凹面反射镜的中心设有小孔，所述凹面反射镜能够将所述光源发出的光平行反射；所述隅角镜能够将所述凹面反射镜平行反射的光反射，所述凹面反射镜将所述隅角镜反射的光聚焦反射；

所述平面反射镜能够将所述凹面反射镜聚焦反射的光反射到所述入射端面并形成光斑；

所述固定装置和所述凹面反射镜之间设有半透半反镜，所述半透半反镜的上方设有CCD成像装置，所述半透半反镜能够将所述光斑相对所述入射端面的位置偏差反射给所述CCD成像装置，所述CCD成像装置连接所述计算机处理系统。

2.根据权利要求1所述的一种自动对光长光程有毒有害气体监测系统，其特征在于，所述光源为氙灯光源。

3.根据权利要求1所述的一种自动对光长光程有毒有害气体监测系统，其特征在于，所述调节系统包含驱动结构和控制仪，所述驱动结构与所述底板靠近所述光源的一端连接，所述控制仪分别与所述驱动结构和所述计算机处理系统连接。

4.根据权利要求3所述的一种自动对光长光程有毒有害气体监测系统，其特征在于，所述调节系统还包含万向支撑结构，所述万向支撑结构与所述驱动结构分别连接所述底板的两端，所述万向支撑结构能配合所述底板移动装置实现所述底板水平和竖直移动。

5.一种有毒有害气体的监测方法，其特征在于，利用如权利要求1-4中任一项所述的自动对光长光程有毒有害气体监测系统，所述监测方法包含：

步骤1、将监测系统安装调试，打开光源并发射光，光经凹面反射镜和隅角镜反射后在平面反射镜上聚焦，平面反射镜将聚焦的光反射再经小孔和入射端面进入接收光纤，再由光谱仪和计算机处理系统进行分析处理，得监测结果；

步骤2、在步骤1中，反射光线入射至入射端面时形成光斑，半透半反镜将光斑与入射端面的位置偏差实时反射给CCD成像装置，CCD成像装置将该位置偏差处理后传输给计算机处理系统，再由计算机处理系统分析计算底板的调节方向；

步骤3、计算机处理系统将计算好的底板调节信息传递给控制仪，由控制仪控制驱动结构驱动底板按照调节信息进行移动，直至光斑与入射端面的位置偏差达到最佳。