CN111537453A - 一种二维多点反射长光程气体传感器探头及气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二维多点反射长光程气体传感器探头及气体传感器，包括：壳体以及设置在所述壳体内的多点全反射式长光程光路模块；所述多点全反射式长光程光路模块包括两个间隔设定距离的直角反射镜组，所述直角反射镜组的斜面相对设置且相互平行；所述两个直角反射镜组中心线之间存在设定偏差，所述偏差能够使得平行于所述中心线的光束在两个直角反射镜组之间产生设定次数的反射，形成二维平行光束组。本发明光电气体传感器探头利用直角棱镜的全反射原理，将平行光束在两个直角棱镜，或两组相互垂直的平面反射镜组中产生多次全反射，形成一组两维的平行光束组，从而增加了气体吸收的测量光程，有利于提高探测信噪比以及测量精度。

Description

一种二维多点反射长光程气体传感器探头及气体传感器
技术领域
本发明涉及激光光谱气体传感器技术领域，尤其涉及一种二维多点反射长光程气体传感器探头及气体传感器。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
在激光光谱气体传感器的小型化、实用化、智能化的进程中，出现了各种小型化的激光光谱气体传感器探头。为了提高检测气体的测量精度，同时减小传感器探头的尺寸，在测量气室中，利用反射镜来改变光束的传播路径的方法被广泛应用在这些小型化气体传感器中。一般气体传感器的气室，或气体吸收池大多采用在激光源和探测器之间的空间作为测量气室。在传感器的体积受到限制的情况下，为了增加测量光程长度，气室通常采用多个反射镜使光束在气室里经过多次反射，从而达到在较小的空间里获得较长的测量光程的效果。如White反射腔和Herriott反射腔等方案。典型White结构的多次反射池是由三个球面镜组成共焦腔,入射光束聚焦在球面镜A上,经球面镜B或C反射聚焦之后焦点还落在A上。传统的Herriott池则是用两个球面镜(它们焦距相同)面对面放置而形成一个多次反射腔，其中两个反射镜至少一个含有中心孔。光通过反射镜上的孔入射和出射该吸收池，并在返回其入口点之前在这个吸收池内进行多次反射。发明人发现，由于以上反射腔都采用了多个光学元件来构成吸收池，使得吸收池的光学结构变的复杂。如果任意一个元件的位置相对其它元件位置有变化，光路就会随之而变，从而影响测量精度。特别是由于这些传感光路都是在一个三维的立体空间中分布，使得整个气体吸收池的体积大，机械结构强度差，尤其是在应用现场时，如在煤矿里，或化工管道系统中，基于这些三维立体气室的气体传感器的稳定性较差，且使用寿命有限，不利于大量推广使用。因此，如何设计出既有足够长吸收光程，又是结构简单的气体传感器是本技术领域亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种二维多点反射长光程气体传感器探头及气体传感器，通过采双直角棱镜的多点反射方案，设计出了二维扁平化的测量气室，不但简化了光学机械结构，而且使有限测量光程成倍的增加，同时减少了各个元件相对位置的变化的可能性，降低了光路调整的难度，提高了光路系统的稳定性。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
根据本发明实施例的第一个方面，提供了一种二维多点反射长光程气体传感器探头包括：壳体以及设置在所述壳体内的多点全反射式长光程光路模块；所述多点全反射式长光程光路模块包括两个间隔设定距离的直角反射镜组，所述直角反射镜组的斜面相对设置且相互平行；所述两个直角反射镜组中心线之间存在设定偏差，所述偏差能够使得平行于所述中心线的光束在两个直角反射镜组之间产生设定次数的反射，形成二维平行光束组。
根据本发明实施例的第二个方面，提供了一种气体传感器，包括上述的二维多点反射长光程气体传感器探头。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)光电气体传感器探头利用直角棱镜的全反射原理，将平行光束在两个直角棱镜，或两组相互垂直的平面反射镜组中产生多次全反射，形成一组两维的平行光束组，从而增加了气体吸收的测量光程，有利于提高探测信噪比以及测量精度。
(2)由于仅仅采用了两个斜面相互平行的直角棱镜光学器件实现了吸收光路多次的折转，大大减小各光学元件相对位置变化的可能性，显著提高了光路系统的稳定性；同时，减小了传感器探头的体积。
(3)由于采用了棱镜全反射作为反射镜，该光学结构可以适用于各种波长的光束，因此，对于不同气体的测量，只需要将光源改变成对应于该气体的吸收峰的激光光源，采用同样的光学结构就可以对该气体的测量；实现了利用同一个气室同时对多种气体进行测量。
(4)由于吸收光路是由一个整体四方体结构中的内腔组成，吸收池两侧的光束射入射出窗是经过防凝水膜处理，可以有效地减少由于湿度对光路影响引起的测量误差。
(5)两直角棱镜光学器件只需直接粘贴固定于刚体结构之上，极大简化了模块的制作工艺，有效减少了生产的复杂性，相应提高生产成品率，以利于大规模生产。
附图说明
图1是本发明实施案例提供的一种光电气体传感器探头的结构示意图；
图2(a)-(b)分别是本发明实施案例光电气体传感器探头的上盖板平面视图和侧视图；
图3是本发明实施案例提供的光路结构的基座示意图；
图4和图5分别是本发明实施案例光电气体传感器探头中光路模块的一种实现方式的平面视图和侧视图；
图6(a)-(b)是本发明实施案例光电气体传感器探头中光路模块的另一种实现方式的平面视图和侧视图；
图7(a)-(b)是本发明实施案例光电气体传感器探头中光路模块的又一种实现方式的平面视图和侧视图；
图8(a)-(b)是本发明实施案例光电气体传感器探头中光路模块的再一种实现方式的平面视图和侧视图；
其中，1.金属滤网，2.通气孔，3.传感器探头上盖，4.多点全反射式长光程光路模块，5.传感器探头下盖，6.信号处理电路，7.基座，8.平行激光光源，9.温度、压力传感器，10.光电探测器，11.直角反射镜组。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。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申请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。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种二维多点反射长光程气体传感器探头，参照图1，包括：壳体，设置在壳体内的多点全反射式长光程光路模块4，平行激光光源8、光电探测器10和气体吸收池。
具体地，参照图2(a)-(b)，壳体由带有进气过滤装置的传感器探头上盖3和传感器探头下盖5组成，传感器探头上盖3顶端设有可以置换的金属滤网1，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，金属滤网1下面设有若干通气孔2。被测气体经过设有金属滤网1从通气孔2扩散进入气体吸收池中。
本实施例中，参照图3，多点全反射式长光程光路模块4包括两个相同的直角反射镜组11；需要说明的是，直角反射镜组11可以采用直角三角棱镜，也可以采用由两个相互垂直的平面反射镜组成的三角反射镜组的形式；或者，本领域技术人员根据需要选择其他形式的直角反射镜组。
本实施例中，采用直角三角棱镜的形式；两个直角三角棱镜间隔设定距离，嵌入刚体基座7组中，两直角棱镜被放置成其斜面互相相对，且相互平形。
本领域技术人员可以理解，两两个直角三角棱镜斜面的间距可以根据气体传感器所需要的光程大小来设定。
两直角三角棱镜的中心线有一个相对偏差值；对于特定尺寸大小的直角三角棱镜而言，通过调整这个偏差值的大小，可以使平行于棱镜中心线的平行光束在两棱镜中依次产生出不同次数的全反射，从而产生不同数量的反射光束。
在两直角三角棱镜的斜面之间的空间中放置一个可以通入被测气体的长方体结构气体吸收池。
当然，气体吸收池的结构并不局限于长方体结构，本领域技术人员可以根据不同应用场景的需要调整，如圆柱体盒状结构，或长方盒状结构等等。
作为可选的实施例，吸收池两入射窗和出射窗是经过防凝水特殊处理的平面玻璃，经过防凝水膜处理，可以有效地减少由于湿度对光路影响引起的测量误差。
由双棱镜多点反射而产生的一组二维的平行光束则是通过吸收池两边的玻璃平窗射入和射出吸收池，并形成传感光束。
长方体结构气体吸收池一侧面开设有多个通气孔2，被测气体经过设有金属滤网1的通气孔2扩散进入气体吸收池中。吸收池的多个通气孔2的其中一个内设安装有用于测量气体吸收池内温度和压力的温度、压力传感器9；温度和压力信息将用来补偿由于环境温度波动和压力变化引起的参数变化，以便进一步提高测量气体的环境温度和压力适应性。
作为可选的实施例，长方体结构气体吸收池的内壁腔涂有黑色吸光涂层，以便减少杂散光的影响并起到防腐蚀的作用。
参照图4和图5，在光路模块中，在第一直角三角棱镜旁边，即直角三角棱镜其中一锐角端，安装一个和棱镜中心线平行的平行激光光源8，在第二直角三角棱镜的另一锐角端安装光电探测器10；光电探测器10前设置有一个将平行光聚焦在探测敏感面上的聚焦透镜。
平行激光光源8发出的光束平行于棱镜中心线，且能够被第二直角三角棱镜接收并反射；当平行激光光束垂直照射在第二直角三角棱镜的斜面上，该光束将通过第二直角三角棱镜的两直角面全反射，形成和入射光束平行的第一条平行反射光束；该光束经气体吸收池后又垂直照射在第一直角三角棱镜的斜面上；然后再经过第一直角三角棱镜的两直角面全反射经过吸收池并形成第二条平行反射光束；这样，平行激光光束经过两棱镜依次的多次反射，形成了一组二维的平行光束；当该光束在经过第一直角三角棱镜的最后一次反射后，通过吸收池到达光电探测器10，从而形成一个完整的测试光路；这些二维的平行光束则是穿过体吸收池两侧的平面玻璃窗进入气体吸收池并形成传感光束。
作为可选的实施例，可调谐的平行激光光源8自带光强探测器10；可调谐的平行激光光源8光强的变化可以由其自带光强探测器测量。该激光光源可以是低功耗的垂直腔面发射激光器(VCSEL)，也可以是分布负反馈激光器(DFB)。自带光强探测器的输出信号和激光器输出光光强成正比，因此，该信号可以用来作为监测激光器光强变化和补偿这些变化的反馈信号。
平行激光源的发出的平行光束，经过两直角三角棱镜多次反射，并通过气体吸收池的两个透光窗口先后进入或离开气室。在经过棱镜的最后一次反射的反射光束在穿过吸收池后，被光电探测器10接收。
作为可选的实施例，光电气体传感器探头还设有一个电子处理电路，用于调制激光源的发光强度以及放大和调整光电探测器10的测量信号。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种二维多点反射长光程气体传感器探头，本实施例传感器探头结构与实施例一中的不同点在于，参照图6(a)-(b)，本实施例中，采用两组由相互垂直的平面反射镜成组的反射镜组代替两个直角三角棱镜的反射面，第一反射镜组的一反射面端设置平行激光光源8，另一反射镜组的另一反射面端设置光电探测器10；平行激光光源8发出的光束经过第一反射镜组和第二反射镜组的多次反射后，被光电探测器10吸收。
其余结构与实施例一中的二维多点反射长光程气体传感器探头结构相同，不再赘述。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种二维多点反射长光程气体传感器探头，参照图7(a)-(b)，本实施例传感器探头结构与实施例一中的不同点在于，本实施例中，两个直角三角棱镜中，第一直角三角棱镜的一锐角端设置平行激光光源8，另一锐角端设置光电探测器10；第二直角三角棱镜的一锐角端设置第三直角三角棱镜；平行激光光源8发出的光束经过第一直角三角棱镜、第二直角三角棱镜和第三直角三角棱镜的多次反射后，被光电探测器10吸收。
该结构下，平行激光光源8和光电探测器10可以放置在气体吸收池的同一侧；因此，相应的光源驱动电路和信号处理电路6可以放在传感头的一端，使整体设计更加紧凑。
可以理解，本实施例中的直角三角棱镜也可以由相互垂直的平面反射镜成组的反射镜组代替；或者本领域技术人员能够想到的其他直角反射镜组代替。
其余结构与实施例一中的二维多点反射长光程气体传感器探头结构相同，不再赘述。
实施例四
在一个或多个实施方式中，公开了一种二维多点反射长光程气体传感器探头，参照图8(a)-(b)，本实施例传感器探头结构与实施例一中的不同点在于，本实施例中，两个直角三角棱镜中，第一直角三角棱镜的一锐角端分别设置平行激光光源8和光电探测器10；第二直角三角棱镜的一锐角端安装一个小反射棱镜，该反射棱镜的反射面沿着垂直与光束的方向设置。
当平行激光光源8发出的光束经过第一直角三角棱镜和第二直角三角棱镜的多次反射后，形成第一层平行光束组，然后，经过垂直的直角棱镜反射，光束再次经过第二直角三角棱镜和第一直角三角棱镜的多次反射后，形成第二层平行光束组，然后被光电探测器10接收。
该种光路设计能够使传感器的检测光程增加一倍，同时使光源和光电探测器10在气体吸收池的同一侧并相邻，简化了电路板的设计。
可以理解，本实施例中的直角三角棱镜也可以由相互垂直的平面反射镜成组的反射镜组代替；或者本领域技术人员能够想到的其他直角反射镜组代替。
其余结构与实施例一中的二维多点反射长光程气体传感器探头结构相同，不再赘述。
实施例五
在一个或多个实施方式中，公开了一种气体传感器，其采用实施例一或者实施例二或者实施例三或者实施例四中公开的任一种二维多点反射长光程气体传感器探头。
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)

1.一种二维多点反射长光程气体传感器探头，其特征在于，包括：壳体以及设置在所述壳体内的多点全反射式长光程光路模块；所述多点全反射式长光程光路模块包括两个间隔设定距离的直角反射镜组，所述直角反射镜组的斜面相对设置且相互平行；所述两个直角反射镜组中心线之间存在设定偏差，所述偏差能够使得平行于所述中心线的光束在两个直角反射镜组之间产生设定次数的反射，形成二维平行光束组。
2.如权利要求1所述的一种二维多点反射长光程气体传感器探头，其特征在于，所述直角反射镜组为直角三角棱镜或者由两个相互垂直的平面反射镜组成的三角反射镜组。
3.如权利要求1所述的一种二维多点反射长光程气体传感器探头，其特征在于，所述的两个直角反射镜组中，第一直角反射镜组的一锐角端设置平行激光光源，第二直角反射镜组的一锐角端设置光电探测器；
平行激光光源发出的光束平行于棱镜中心线，且能够被第二直角反射镜组接收并反射；所述光束经过设定次数的反射后，被光电探测器接收；
或者，
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聚焦透镜；
或者，
两个直角反射镜组斜面的间距根据气体传感器所需要的光程大小来设定。
4.如权利要求1所述的一种二维多点反射长光程气体传感器探头，其特征在于，所述的两个直角反射镜组中，第一直角反射镜组的一锐角端设置平行激光光源，另一锐角端设置光电探测器；第二直角反射镜组的一锐角端设置第三直角反射镜组；
平行激光光源发出的光束经过第一直角反射镜组、第二直角反射镜组和第三直角反射镜组的多次反射后，被光电探测器接收。
5.如权利要求1所述的一种二维多点反射长光程气体传感器探头，其特征在于，所述的两个直角反射镜组中，第一直角反射镜组的一锐角端分别设置平行激光光源和光电探测器；第二直角反射镜组的一锐角端，沿垂直于光束方向设置反射镜；
平行激光光源发出的光束经过第一直角反射镜组、第二直角反射镜组的多次反射后，被所述反射镜反射；反射的光束再次经过第一直角反射镜组、第二直角反射镜组的多次反射后，被光电探测器接收。
6.如权利要求1所述的一种二维多点反射长光程气体传感器探头，其特征在于，所述的两个直角反射镜组斜面之间的空间设置气体吸收池，所述平行光束组中进入气体吸收池的光束构成被测气体的传感光束。
7.如权利要求5所述的一种二维多点反射长光程气体传感器探头，其特征在于，所述气体吸收池其中一侧面开设有至少一个通气孔，被测气体经过金属滤网后，通过通气孔扩散进入所述气体吸收池中；
或者，至少一个通气孔中安装有用于检测气体吸收池内温度和压力的传感器。
8.如权利要求5所述的一种二维多点反射长光程气体传感器探头，其特征在于，所述气体吸收池的内壁腔涂有吸光涂层；
或者，所述气体吸收池两侧设有用于实现光束射入和射出的窗口，所述窗口经过防凝水膜处理。
9.如权利要求1所述的一种二维多点反射长光程气体传感器探头，其特征在于，所述两个直角反射镜组分别嵌入到刚体基座中。
10.一种气体传感器，其特征在于，包括：权利要求1-9任一项所述的二维多点反射长光程气体传感器探头。
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