CN110632008A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明公开了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，采用了双探测器和参考气室，该多点反射式光电气体传感器探头包括探头本体、设置在探头本体内的光路模块、以及嵌入在光路模块中的光源、分光镜、螺旋式多点光反射光路、信号探测器、参考气室和参考探测器；光源发出平行光束，平行光束经过分光镜，一部分光束被反射入螺旋式多点光反射光路，经过螺旋式多点光反射光路反射后到达信号探测器；另一部分光束被反射入参考气室，经过参考气室后被参考探测器接收。

Description

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

技术领域

本发明涉及激光光谱气体传感器技术领域，特别是涉及一种带有参考气室的多点反射式光电气体传感器探头及光电气体检测装置。

背景技术

近年来，各种小型化的激光甲烷传感探头不断被研发和生产，并被使用到煤炭，石油化工，电力，冶金等有可能出现瓦斯突出或天然气泄露的领域。这些小型化的激光甲烷传感探头一般采用反射镜来改变气室中的光路的传播路径，这样的设计不但可以气室中的检测光程增加，从而提高了测量灵敏度，使得气体检测结果更加精确，而且有效地减少探头的体积，使激光气体传感器实现小型化。

中国公开申请号CN2017114551770的公开申请中采用了带有四个通孔的光路模块，该设计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”，有效的减小了传感探头的尺寸。中国公开申请号CN106908412A的公开申请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。中国公开申请号CN 2019102230250的公开申请中采用了多点反射螺旋式的光路模块，该设计通过采用多个反射镜和直线光路通道构成螺旋光路，有效的在有限的传感探头尺寸里延长了气体测量光程，从而达到增加测量精度的目的。

发明人在研发过程中发现，由于开放光路式传感探头尺寸限制，目前已有的开放光路式传感器探头中，均没有采用充有被测气体的参考气室。因此，在实际使用中，传感器有可能受到其他气体的干扰，产生误报。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种带有参考气室的多点反射式光电气体传感器探头及光电气体检测装置，采用了双探测器和参考气室，当传感器在工作状态下，从参考信号中可以精确地锁定被测气体的吸收峰波长位置，从而可以排除由其他气体，如水蒸气等产生的干扰，提高了测量的准确性，避免误报。

本发明一方面提供的一种多点反射式光电气体传感器探头的技术方案是：

一种多点反射式光电气体传感器探头，包括探头本体、设置在探头本体内的光路模块、以及嵌入在光路模块中的光源、分光镜、螺旋式多点光反射光路、信号探测器、参考气室和参考探测器；

光源发出平行光束，平行光束经过分光镜，一部分光束被反射入螺旋式多点光反射光路，经过螺旋式多点光反射光路反射后到达信号探测器；另一部分光束被反射入参考气室，经过参考气室后被参考探测器接收。

作为本发明的进一步技术方案，所述探头本体由探头上壳体和探头下壳体组成，所述探头上壳体的顶部设置有多个气体进气孔；所述探头上壳体顶部的气体进气孔处安装有过滤网。

作为本发明的进一步技术方案，所述螺旋式多点光反射光路和探头上壳体顶部之间形成了用于容纳待测气体的空腔。

作为本发明的进一步技术方案，所述光路模块为金属模块、塑料模块或者合成材料模块。

作为本发明的进一步技术方案，所述螺旋式多点光反射光路由多条直线光路通道和多个平面反射镜组成；每条直线光路通道与其相邻的直线光路通道相垂直。

作为本发明的进一步技术方案，相邻两个直线光路通道之间设置有平面反射镜；所述平面反射镜与直线光路通道呈45°夹角。

作为本发明的进一步技术方案，所述光源包括激光器、平行光透镜和光强探测器，所述激光器发射出激光光源经过平行光透镜透射后，形成平行光束；所述光强探测器实时检测激光光源的光强变化。

作为本发明的进一步技术方案，所述探头主体内还设置有与激光器连接的驱动电路和信号处理电路，所述驱动电路驱动激光器发射激光光源；所述信号处理电路连接信号探测器和参考探测器，信号探测器将光信号转换为测量电信号，参考探测器将光信号转换为参考电信号，信号处理电路对接收到的测量电信号进行放大和调整，并利用参考电信号修正测量电信号。

作为本发明的进一步技术方案，所述探头下盖体底部预留的通气孔内安装有用于测量由螺旋式多点光反射光路和探头上壳体顶部之间形成的空腔中的温度和气压值的温度传感器和压力传感器。

本发明另一方面提供的一种光电气体检测装置的技术方案是：

一种光电气体检测装置，该装置包括如上所述的多点反射式光电气体传感器探头。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用了二维多点反射螺旋光路，测量光路在有限尺寸下有效的增加，有利于提高探测信噪比以及测量精度；

(2)本发明将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；

(3)本发明采用了带有被测气体的气室，避免了吸收峰光谱位置的不确定性，减小了由其它气体引起的测量误差；

(4)本发明利用二维多点反射螺旋光路减小了传感器探头的体积，从而减少了测量的响应时间；

(5)本发明采用反射镜支架来固定平面反射镜，从而保证了镜面的入射角精度，同时避免由于粘胶的老化而引起镜面的移动、偏移或脱落的潜在失效因素。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本发明的不当限定。

图1是根据一种或多种实施方式的多点反射式光电气体传感器探头结构图；

图2是根据一种或多种实施方式的多点反射螺旋光路模块结构图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明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申请的示例性实施方式。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。

以下结合附图1和图2及实施例，对本发明公开的带有参考气室的多点反射式光电气体传感器探头技术方案及优点进行进一步详细说明。此处所描述仅用以解释本发明带有参考气室的多点反射式光电气体传感器探头的设计，并不用于限定本发明所述设计。

需要强调的是，以下以示例的方式对光电气体传感器探头具体结构及特点进行说明，不应将构成对本发明的任何限制。同时，有关下列所提及(包括隐含或公开)的任何一个技术特征，以及被直接显示或隐含在图1至图2中的任何一个技术特征，均可以在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而形成可能没有在本发明中直接或间接提到的更多其他实施例。

一种或多种实施例提供一种带有参考气室的多点反射式光电气体传感器探头，在开放光路式传感探头的设计中加入一个充有被测气体的参考气室和第二个光电探测器，能实现精确地锁定被测气体的吸收峰波长位置的功能，避免由其他气体产生的误报。

请参阅附图1，所述多点反射式光电气体传感器探头包括探头本体和设置在探头本体内的带有参考气室的多点反射螺旋光路模块。

所述探头本体由探头上壳体3和探头下壳体5组成，所述多点反射螺旋光路模块包括光路模块4以及嵌入在光路模块4中的多点光反射螺旋形测量光路和参考光路；所述探头上壳体3的顶面中部设置有多个气体进气孔2；所述探头上壳体顶面的气体进气孔处安装一个金属过滤网1，用来防止灰尘，杂质等进入探头本体内部污染光路中的光学元件，可以在维护时更换。

请参阅附图2，所述测量光路包括平行光光源、分光镜42、六条直线光路通道46、五个平面反射镜47和信号探测器43。

每条直线光路通道46与其相邻的直线光路通道是相互垂直的，每两条相邻的直线光路通道之间设置有与直线光路通道呈45°夹角的平面反射镜47，当入射光束沿直线光路通道以45°的入射角入射在平面反射镜上时，其反射光束则以45°角从反射镜反射出，并平行地进入了下一条直线光路通道。

所述六条直线光路通道46分别为直线光路通道Ⅰ461、直线光路通道Ⅱ462、直线光路通道Ⅲ463、直线光路通道Ⅳ464、直线光路通道Ⅴ465和直线光路通道Ⅵ466；所述五个平面反射镜47分别为平面反射镜Ⅰ471、平面反射镜Ⅱ472、平面反射镜Ⅲ473、平面反射镜Ⅳ474和平面反射镜Ⅴ475。

所述直线光路通道Ⅰ461和直线光路通道Ⅱ462之间设置有所述平面反射镜Ⅰ471，所述平面反射镜Ⅰ471分别与直线光路通道Ⅰ461和直线光路通道Ⅱ462呈45°夹角。

所述直线光路通道Ⅱ462和直线光路通道Ⅲ463之间设置有所述平面反射镜Ⅱ472，所述平面反射镜Ⅱ472分别与直线光路通道Ⅱ462和直线光路通道Ⅲ463呈45°夹角。

所述直线光路通道Ⅲ463和直线光路通道Ⅳ464之间设置有所述平面反射镜Ⅲ473，所述平面反射镜Ⅲ473分别与直线光路通道Ⅲ463和直线光路通道Ⅳ464呈45°夹角。

所述直线光路通道Ⅳ464和直线光路通道Ⅴ465之间设置有所述平面反射镜Ⅳ474，所述平面反射镜Ⅳ474分别与直线光路通道Ⅳ464和直线光路通道Ⅴ465呈45°夹角。

所述直线光路通道Ⅴ465和直线光路通道Ⅵ466之间设置有所述平面反射镜Ⅴ475，所述平面反射镜Ⅴ475分别与直线光路通道Ⅴ465和直线光路通道Ⅵ466呈45°夹角。

每条直线光路通道的长度是逐渐减少的，所述直线光路通道Ⅵ466的长度最短。

平行光光源发出平行光束，经过分光镜42将来自平行光光源的平行光束的一部分被反射进入参考气室光路，另一部分射入直线光路通道Ⅰ461，并以45°的入射角入射到平面反射镜Ⅰ471；从平面反射镜Ⅰ471反射出的光束进入直线光路通道Ⅱ462并和直线光路通道Ⅱ462平行；此光束依次以45°角射入到平面反射镜Ⅱ472、平面反射镜Ⅲ473、平面反射镜Ⅳ474，并依次被这些平面反射镜反射，入射光和反射光束相互成90°夹角；反射光束依次进入直线光路通道Ⅲ463、直线光路通道Ⅳ464和直线光路通道Ⅴ465；当光束经过平面反射镜Ⅴ475反射后，经过一段较短的直线光路通道Ⅵ466到达信号探测器43，并由信号探测器43将光信号转化成电信号。

在本实施例中，所述多点光反射螺旋测量光路和探头上壳体顶部所形成的空腔构成容纳待测气体的气体吸收池，待测气体通过金属过滤网1扩散和多个进气孔进入气体吸收池中。

请参阅附图2，所述参考光路包括平行光光源、分光镜42、参考气室45和参考探测器44。

平行光光源发出平行光束，一部分光束经过分光镜42被反射进入参考气室45，经过参考气室45后被参考探测器44接收，并由参考探测器44将参考光信号转化成参考电信号。

在至少一个实施例中，所述直线光路通道46和探头上壳体的内壁分别涂有黑色减反射光涂层，所获得有益效果是：减少杂散光的干扰并起到防腐蚀的作用。

在至少一个实施例中，所述探头下盖体的底部设置有一个通气孔7，所述通气孔7用来安装测量气室压力和温度的传感器，所述通气孔7内设有温度传感器和气压传感器，温度传感器和气压传感器分别与信号处理电路连接，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，以便进一步提高测量气体精度。

在至少一个实施例中，所述多点光反射螺旋测量光路中由六条直线光路通道46和五个平面反射镜47组成的螺旋式多点光反射光路可通过机械加工或精密注塑形成，螺旋式多点光反射光路嵌入在一个圆柱形的光路模块4上，该光路模块4的材料可为金属，塑料，合成材料等。所述螺旋式多点光反射光路的平面反射镜是由反射镜支架固定在其设计的位置，所获得有益效果是：以便避免由于粘胶的老化而引起镜面的移动、偏移或脱落。

在本实施例中，所述反射镜支架包括入射通孔、与入射通孔垂直的出射通孔以及可安装分光镜或反射镜面的内凹方形容腔,所述容腔底部和入射通孔以及出射通孔成45°的夹角，并且所述容腔底部开有一个圆形通孔；所述入射通孔的中轴线和出射通孔的中轴线成90°夹角；入射通孔和出射通孔的中轴线分别与方形容腔的底部平面成45°的夹角，当反射镜被安装在＝方形容腔中，入射光束通过入射通孔，并以45°的入射角射入在反射镜上时，反射镜将入射光束以45°反射，形成反射光束并通过出射通孔进入下一个光路。

多个平面反射镜47可以是粘贴在和直线光路通道46呈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。

在至少一个实施例中，所述平行光光源包括发射激光器(VCSEL)41、平行光透镜和光强探测器，所述发射激光器41发射出激光光源经过平行光透镜透射后，发射出平行光束。平行光束经过一个分光镜透射和5个平面反射镜反射后，被信号探测器接收，形成测量中电信号输出；光强探测器可以对激光光源的光强变化进行实时检测。

所述平行光光源是自带光强探测器的可调制光强度的平行激光源；激光器也可为DFB激光器。

在至少一个实施例中，所述平行激光源发出的平行光束经过一个分光镜反射，经过一个充有被测气体的参考气室后的，被参考探测器接收，形成测量中参考电信号输出。

在至少一个实施例中，所述信号探测器43和参考探测器44分别采用光电探测器，所述信号探测器43和参考探测器44靠近直线光路通道的一侧设置有透镜，用于将平行光聚焦在探测器敏感面上。

当信号探测器43所接收的入射激光光束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。

当参考探测器44所接收的入射激光光束是经过在参考气室中的被测气体调制过后，其输出信号则带有被测气体在其吸收光谱处吸收信息。

在至少一个实施例中，所述探头主体内还设置有驱动电路和信号处理电路6，所述驱动电路与平行激光源的VCSEL激光器41连接，用于驱动VCSEL激光器发射激光光源，调制激光源的发光强度；所述信号处理电路分别与信号探测器和参考探测器，用于接收信号探测器检测的测量电信号和参考探测器检测的参考电信号，并对接收到的信号进行处理，放大和调整测量信号，以及利用参考信号修正测量信号。

所述驱动电路和信号处理电路分别采用现有的电路技术结构，在本申请中不再赘述。

可调谐的VCSEL平行激光光源连接在其调谐电路上，所述可调制的平行激光源的光强变化可以由其自带光强探测器测量，所述平行激光源的发出的部分平行光束在螺旋气体吸收池中穿过所述的分光镜，再经过所述的多个反射镜反射；反射光束被所述的信号探测器接收；所述的信号探测器和其电信号处理电路相连，被信号探测器测量接收的测量信号经过信号处理电路处理后以数字信号的形式从输出信号线输出；所述平行激光源的发出的部分平行光束在螺旋气室中经过所述的分光镜反射，再经过所述的参考气室，然后又被所述参考探测器接收并形成参考信号，所述参考信号将在信号处理电路中被用来对测量信号进行修正。

在至少一个实施例中，所述探头本体的探头上壳体3和探头下壳体4可为不锈钢壳体。

本实施例提出的多点反射式光电气体传感器探头的工作原理为：

VCSEL激光器41发射出激光光源经过平行光透镜透射后，发射出平行光束至分光镜42，分光镜42将来平行光束的一部分反射到参考气室45，并将另一部分光束通过分光镜42射入直线光路通道46，其多个平面反射镜67将沿直线光路入射的平行激光束以45°的入射角进行多次反射，入射光束和反射光束相互成90°夹角；经过多次反射的光束到达信号探测器43后，又经聚焦透镜汇聚在信号探测器43的光敏面上，形成测量信号，由于该信号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，经过连接在信号探测器上的信号处理电路处理，形成测量气体浓度的测量信号；从分光镜反射到参考气室45的光束，穿过参考气室45到达参考探测器64后，又经聚焦透镜汇聚在参考探测器64的光敏面，形成参考信号，所述参考信号将在信号处理电路中被用来对测量信号进行修正。

本实施例的多点反射式光电气体传感器探头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。

一种或多种实施方式还提供一种光电气体检测装置，该装置包括所述带有参考气室的多点反射式光电气体传感器探头。

其中，本实施例的多点反射式光电气体传感器探头的具体结构请参阅前面实施例的相关描述，在此不做赘述。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种多点反射式光电气体传感器探头，其特征是，包括探头本体、设置在探头本体内的光路模块、以及嵌入在光路模块中的光源、分光镜、螺旋式多点光反射光路、信号探测器、参考气室和参考探测器；

光源发出平行光束，平行光束经过分光镜，一部分光束被反射入螺旋式多点光反射光路，经过螺旋式多点光反射光路反射后到达信号探测器；另一部分光束被反射入参考气室，经过参考气室后被参考探测器接收。

2.根据权利要求1所述的多点反射式光电气体传感器探头，其特征是，所述探头本体由探头上壳体和探头下壳体组成，所述探头上壳体的顶部设置有多个气体进气孔；所述探头上壳体顶部的气体进气孔处安装有过滤网。

3.根据权利要求2所述的多点反射式光电气体传感器探头，其特征是，所述螺旋式多点光反射光路和探头上壳体顶部之间形成了用于容纳待测气体的空腔。

4.根据权利要求1所述的多点反射式光电气体传感器探头，其特征是，所述光路模块为金属模块、塑料模块或者合成材料模块。

5.根据权利要求1所述的多点反射式光电气体传感器探头，其特征是，所述螺旋式多点光反射光路由多条直线光路通道和多个固定在反射镜支架之间上的平面反射镜组成；每条直线光路通道与其相邻的直线光路通道相垂直。

6.根据权利要求5所述的多点反射式光电气体传感器探头，其特征是，相邻两个直线光路通道之间设置有平面反射镜；所述平面反射镜与直线光路通道呈45°夹角。

7.根据权利要求1所述的多点反射式光电气体传感器探头，其特征是，所述光源包括激光器、平行光透镜和光强探测器，所述激光器发射出激光光源经过平行光透镜透射后，形成平行光束；所述光强探测器实时检测激光光源的光强变化。

8.根据权利要求1所述的多点反射式光电气体传感器探头，其特征是，所述探头主体内还设置有与激光器连接的驱动电路和信号处理电路，所述驱动电路驱动激光器发射激光光源；所述信号处理电路连接信号探测器和参考探测器，信号探测器将光信号转换为测量电信号，参考探测器将光信号转换为参考电信号，信号处理电路对接收到的测量电信号进行放大和调整，并利用参考电信号修正测量电信号。

9.根据权利要求1所述的多点反射式光电气体传感器探头，其特征是，所述探头下盖体底部预留的通气孔内安装有用于测量由螺旋式多点光反射光路和探头上壳体顶部之间形成的空腔中的温度和气压值的温度传感器和压力传感器。

10.一种光电气体检测装置，其特征是，该装置包括权利要求1至9中任一项所述的多点反射式光电气体传感器探头。

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