CN113008814A - 一种利用双激光器进行水汽浓度检测的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用双激光器进行水汽浓度检测的装置及方法，该装置包括装置壳体，装置壳体内设置硬件电路板，装置壳体上下两端侧面分别连接发射端壳体和接收端壳体，发射端壳体内设置第一激光器、第二激光器、第一透镜和第二透镜，发射端壳体表面设置第一反射镜，第一反射镜上开设第一透光孔和第二透光孔；接收端壳体内设置第一光电探测器和第二光电探测器，接收端壳体表面设置第二反射镜，第二反射镜上开设第三透光孔和第四透光孔，第一激光器为近红外波段激光器，第二激光器为中红外波段激光器。本发明所公开的装置及方法可以实现低温区间和高温区间水汽浓度检测量程和检测分辨率的兼顾，可以提高设备的全量程适用性。

Description

一种利用双激光器进行水汽浓度检测的装置及方法
技术领域
本发明涉及环境检测技术领域，特别涉及一种利用双激光器进行水汽浓度检测的装置及方法。
背景技术
现有湿敏电容式温湿度传感器存在高湿褪湿慢、测量误差大、响应时间长等问题。在光谱学上，通过气体的吸收谱线的构成，可以分辨物质的组份。可以通过分析某种气体某一吸收谱线对该波长光的吸收程度，来计算该气体的浓度。利用可调谐激光吸收光谱技术测量环境湿度，具有测量准确度高、响应速度快、环境适应性好的特点，可以解决湿敏电容式温湿度传感器存在的问题。
在气象观测中，要求温湿度传感器的在-40～60℃区间工作，在该温度变化区间内，空气中水汽浓度变化范围极大，在-40℃时，饱和水汽浓度不足200ppm(相对湿度为100％RH时),在60℃时，饱和水汽浓度超过24万ppm(相对湿度为100％RH时),60℃时饱和水汽浓度为-40℃时的1300多倍，这给激光湿度传感器的全量程测量带来了挑战。
目前水汽分析仪为采用一个激光器进行全量程测量，这种方式在-40～60℃范围内进行全量程测量时会遇到严重的挑战。在低温区间，为了提高水汽浓度的检测精度和检测灵敏度，需采用水汽光谱的强吸收线，并结合多次反射吸收池才能实现低温区间的水汽浓度高精度测量。在高温区间(比如60℃)，饱和水汽浓度达到二十多万ppm，水汽吸收非常强，会出现吸收饱和现象，此时需降低吸收谱线强度和吸收路径长度。对于单一激光器来说，无法实现低温区间和高温区间水汽检测精度和检测灵敏度的兼顾。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种利用双激光器进行水汽浓度检测的装置及方法，两激光器共用同一套光路系统，可以实现低温区间和高温区间水汽浓度检测量程和检测分辨率的兼顾，可以提高设备的全量程适用性。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种利用双激光器进行水汽浓度检测的装置，包括装置壳体，所述装置壳体内设置硬件电路板，所述装置壳体上下两端侧面分别连接发射端壳体和接收端壳体，所述发射端壳体内设置第一激光器、第二激光器、第一透镜和第二透镜，所述发射端壳体表面设置第一反射镜，所述第一反射镜上开设第一透光孔和第二透光孔；所述接收端壳体内设置第一光电探测器和第二光电探测器，所述接收端壳体表面设置第二反射镜，所述第二反射镜上开设第三透光孔和第四透光孔，所述第一反射镜和第二反射镜正对；所述第一激光器、第一透镜、第一透光孔、第三透光孔和第一光电探测器位于一条直线上，所述第一激光器发出的激光经第一透镜、第一透光孔、直接由第三透光孔出射，到达第一光电探测器；所述第二激光器发出的激光经第二透镜、第二透光孔，在第一反射镜和第二反射镜之间多次反射后，由第四透光孔出射，到达第二光电探测器；所述第一激光器为近红外波段激光器，所述第二激光器为中红外波段激光器。
上述方案中，所述第一透光孔位于第一反射镜的中心位置，所述第三透光孔位于第二反射镜的中心位置。
进一步的技术方案中，所述第二透光孔位于第一反射镜的边缘，所述第四透光孔位于第二反射镜的边缘。
上述方案中，所述第一激光器、第二激光器、第一光电探测器和第二光电探测器均与硬件电路板电连接。
上述方案中，所述发射端外壳和接收端外壳之间连接筒状的烧结网，所述烧结网位于第一反射镜和第二反射镜边缘外侧。
一种利用双激光器进行水汽浓度检测的方法，采用上述的装置，在高温区间，第一激光器工作，其发出的激光由第一透镜汇聚后，从第一透光孔进入开放吸收光路，激光由第三透光孔出射，由第一光电探测器接收，由硬件电路板根据环境中水汽浓度对吸收谱线的吸收程度计算环境中的水汽浓度；在低温区间，第二激光器工作，其发出的激光由第二透镜汇聚后，从第二透光孔进入开放吸收光路，激光在第一反射镜和第二反射镜之间多次反射，最终由第四透光孔出射，由第二光电探测器接收，由硬件电路板根据环境中水汽浓度对吸收谱线的吸收程度计算环境中的水汽浓度；在高温和低温之间的过渡区间，第一激光器和第二激光器同时工作，利用输出的水汽浓度的均值作为系统输出。
上述方案中，所述高温区间为温度大于5℃的温度区间，所述低温区间为温度小于-5℃的温度区间，所述过渡区间为温度在-5～5℃的温度区间。
通过上述技术方案，本发明提供的利用双激光器进行水汽浓度检测的装置及方法具有如下有益效果：
1、本发明采用双激光器的方式，两激光器共用同一套光路系统，可以实现低温区间和高温区间水汽检测量程和检测分辨率的兼顾，可以提高设备的全量程适用性。
2、本发明在高温区，采用近红外激光器，可以避免出现高温环境水汽吸收饱和的问题；在低温区，采用中红外激光器，且光路为多次反射，可以提高水汽吸收强度；在过渡区间近红外激光器和中红外激光器同时工作，利用输出的水汽浓度的均值做系统输出，可以提高测量精度。
3、本发明启用过渡区间，激光器切换时，系统不需要预热时间，可以实现激光湿度的高速测量。
4、本发明的激光器、光电探测器以及透光孔的位置设置，可以保证两激光器的激光不会产生混扰，两激光器可共用同一光路系统。
5、本发明在装置壳体以及装置壳体上下两端侧面的发射端壳体和接收端壳体的位置设置，可以有效缩短激光器、光电探测器到硬件电路板线缆的长度，减少噪声的引入，可提高信噪比。
6、本发明在发射端外壳和接收端外壳之间连接筒状的烧结网，能够起到阻止灰尘污染反射镜的作用，有助于提高测量精度，延长使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种利用双激光器进行水汽浓度检测的装置示意图；
图2为本发明实施例所公开的烧结网示意图；
图3为本发明实施例所公开的第一反射镜示意图；
图4为本发明实施例所公开的第二反射镜示意图。
图中，1、装置壳体；2、发射端壳体；3、接收端壳体；4、硬件电路板；5、第一激光器；6、第二激光器；7、第一透镜；8、第二透镜；9、第一反射镜；10、第一透光孔；11、第二透光孔；12、第一光电探测器；13、第二光电探测器；14、第二反射镜；15、第三透光孔；16、第四透光孔；17、烧结网；18、电缆；19、光斑。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种利用双激光器进行水汽浓度检测的装置，如图1所示，包括装置壳体1，装置壳体1内设置硬件电路板4，装置壳体1上下两端侧面分别连接发射端壳体2和接收端壳体3，发射端壳体2内设置第一激光器5、第二激光器6、第一透镜7和第二透镜8，发射端壳体2表面设置第一反射镜9，第一反射镜9上开设第一透光孔10和第二透光孔11；接收端壳体3内设置第一光电探测器12和第二光电探测器13，接收端壳体3表面设置第二反射镜14，第二反射镜14上开设第三透光孔15和第四透光孔16，第一反射镜9和第二反射镜14正对。
第一激光器5、第二激光器6、第一光电探测器12和第二光电探测器13均与硬件电路板4电连接，装置壳体1外接电缆18。本实施例中，装置壳体1为长方体结构，发射端壳体2和接收端壳体3为圆柱形结构，该种机械结构，能够有效缩短激光器、光电探测器到硬件电路板4的线缆长度，减少噪声的引入，可提高信噪比。
如图3和图4所示，第一透光孔10位于第一反射镜9的中心位置，第三透光孔15位于第二反射镜14的中心位置，第一激光器5、第一透镜7、第一透光孔10、第三透光孔15和第一光电探测器12位于一条直线上，第一激光器5发出的激光经第一透镜7、第一透光孔10、直接由第三透光孔15出射，到达第一光电探测器12。第二透光孔11位于第一反射镜9的边缘，第四透光孔16位于第二反射镜14的边缘，第二激光器6发出的激光经过第二透镜8、第二透光孔11，在第一反射镜9和第二反射镜14之间多次反射(光斑19如图3和图4所示)后，由第四透光孔16出射，到达第二光电探测器13。近红外激光器透射方式，激光传输在两个反射镜的中心位置，中红外激光器多次反射方式，激光在两个反射镜的边缘附近传输，两激光器的激光不会产生混扰，两激光器可共用同一光路系统。
本实施例中，第一激光器5为近红外波段激光器，第二激光器6为中红外波段激光器。
在对湿度测量响应速度要求不高的应用场合，可以在发射端外壳和接收端外壳之间连接筒状的烧结网17，如图2所示，烧结网17位于第一反射镜9和第二反射镜14边缘外侧，起到阻止灰尘污染反射镜的作用。在对湿度测量响应速度要求较高的应用场合，可以不安装烧结网17，能够快速响应环境中的湿度变化。
一种利用双激光器进行水汽浓度检测的方法，采用上述的装置，在高温区间，第一激光器5(近红外波段激光器)工作，其发出的激光由第一透镜7汇聚后，从第一透光孔10进入开放吸收光路，激光由第三透光孔15出射，由第一光电探测器12接收，由硬件电路板4根据环境中水汽浓度对吸收谱线的吸收程度计算环境中的水汽浓度；在低温区间，第二激光器6(中红外波段激光器)工作，其发出的激光由第二透镜8汇聚后，从第二透光孔11进入开放吸收光路，激光在第一反射镜9和第二反射镜14之间多次反射，最终由第四透光孔16出射，由第二光电探测器13接收(激光在第一反射镜9和第二反射镜14之间的反射次数，可以通过改变入射角度和调整两反射镜之间的距离来改变)，由硬件电路板4根据环境中水汽浓度对吸收谱线的吸收程度计算环境中的水汽浓度；在高温和低温之间的过渡区间，第一激光器5和第二激光器6同时工作，利用输出的水汽浓度的均值作为系统输出。
其中，高温区间为温度大于5℃的温度区间，低温区间为温度小于-5℃的温度区间，过渡区间为温度在-5～5℃的温度区间。启用过渡区间，激光器在切换时，系统不需要预热时间，可以实现激光湿度的高速测量。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种利用双激光器进行水汽浓度检测的装置，其特征在于，包括装置壳体，所述装置壳体内设置硬件电路板，所述装置壳体上下两端侧面分别连接发射端壳体和接收端壳体，所述发射端壳体内设置第一激光器、第二激光器、第一透镜和第二透镜，所述发射端壳体表面设置第一反射镜，所述第一反射镜上开设第一透光孔和第二透光孔；所述接收端壳体内设置第一光电探测器和第二光电探测器，所述接收端壳体表面设置第二反射镜，所述第二反射镜上开设第三透光孔和第四透光孔，所述第一反射镜和第二反射镜正对；所述第一激光器、第一透镜、第一透光孔、第三透光孔和第一光电探测器位于一条直线上，所述第一激光器发出的激光经第一透镜、第一透光孔、直接由第三透光孔出射，到达第一光电探测器；所述第二激光器发出的激光经第二透镜、第二透光孔，在第一反射镜和第二反射镜之间多次反射后，由第四透光孔出射，到达第二光电探测器；所述第一激光器为近红外波段激光器，所述第二激光器为中红外波段激光器。
2.根据权利要求1所述的一种利用双激光器进行水汽浓度检测的装置，其特征在于，所述第一透光孔位于第一反射镜的中心位置，所述第三透光孔位于第二反射镜的中心位置。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用双激光器进行水汽浓度检测的装置，其特征在于，所述第二透光孔位于第一反射镜的边缘，所述第四透光孔位于第二反射镜的边缘。
4.根据权利要求1所述的一种利用双激光器进行水汽浓度检测的装置，其特征在于，所述第一激光器、第二激光器、第一光电探测器和第二光电探测器均与硬件电路板电连接。
5.根据权利要求1所述的一种利用双激光器进行水汽浓度检测的装置，其特征在于，所述发射端外壳和接收端外壳之间连接筒状的烧结网，所述烧结网位于第一反射镜和第二反射镜边缘外侧。
6.一种利用双激光器进行水汽浓度检测的方法，采用如权利要求1所述的装置，其特征在于，在高温区间，第一激光器工作，其发出的激光由第一透镜汇聚后，从第一透光孔进入开放吸收光路，激光由第三透光孔出射，由第一光电探测器接收，由硬件电路板根据环境中水汽浓度对吸收谱线的吸收程度计算环境中的水汽浓度；在低温区间，第二激光器工作，其发出的激光由第二透镜汇聚后，从第二透光孔进入开放吸收光路，激光在第一反射镜和第二反射镜之间多次反射，最终由第四透光孔出射，由第二光电探测器接收，由硬件电路板根据环境中水汽浓度对吸收谱线的吸收程度计算环境中的水汽浓度；在高温和低温之间的过渡区间，第一激光器和第二激光器同时工作，利用输出的水汽浓度的均值作为系统输出。
7.根据权利要求6所述的一种利用双激光器进行水汽浓度检测的方法，其特征在于，所述高温区间为温度大于5℃的温度区间，所述低温区间为温度小于-5℃的温度区间，所述过渡区间为温度在-5～5℃的温度区间。
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