CN113406001A - 一种光电气体传感器探头及光电气体检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电气体传感器探头及光电气体检测装置，光电气体传感器探头包括多点反射二维光路模块体、嵌设在光路模块体内的第一平面反射镜、第二平面反射镜、平行光光源、光电探测器；第一平面反射镜、第二平面反射镜的反射面相对设置且相互平行，第一平面反射镜、第二平面反射镜的中心不在同一直线上；还包括用于固定第一平面反射镜、第二平面反射镜的三角形反射镜卡块；两个反射镜卡块相对的尖角角度与平行光光源发出的平行光光束的反射角度一致；本发明通过设置三角形块固定平行反射镜，同时增加加热片，有效的避免受潮脱胶及凝水等问题，同时减小吸收池容积，增加了测量光程，也极大的提高光路的稳定性和可靠行，减少生产中的调试难度。

Description

一种光电气体传感器探头及光电气体检测装置

技术领域

本发明涉及光电气体传感器技术领域，尤其涉及一种光电气体传感器探头及光电气体检测装置。

背景技术

目前，为了满足日益增长的环境安全检测和生产安全监测的要求，各种基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的光电气体传感器不断被研发出，并使用到实际生产中实现实时、在线的检测和测量。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，也避免了由其它气体对测量带来的干扰。在这类传感器中，先进的数字信号处理技术不但可以实现对被测气体浓度进行连续地测量，同时也能对被测地点的温度、压力和湿度进行实时的测量，这些环境数据可以使新型的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更广泛的应用到不同的生产过程和安全防范领域。

在这些气体传感器探头的设计中，为了提高测量精度，通常需要在气体吸收池的有限的尺寸中尽量增加光程总长度，一般采用的方法是，使用多个反射镜将光路在气体吸收池里经过多次反射，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，这些反射镜通常被粘贴在气体吸收池里的固定的位置，以便形成固定的光程。当这类气体传感器被使用在气温变化很大、且又是高湿的环境中时，传感器的环境条件就会对这些反射镜产生至少两个不利的影响:温差变化引起镜面的凝水，以及由于潮湿引起的反射镜脱胶。

因此，在将这类传感器使用到实际应用现场时，必须解决的关键技术难题是如何防止反射镜凝水以及解决粘胶受潮脱胶的问题。

发明内容

因此，为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种防凝水无脱胶的光电气体传感器探头，通过设置三角形反射镜卡块固定平行反射镜，无需使用胶粘粘贴反射镜，有效的避免粘胶受潮脱胶的问题，同时减小吸收池容积，增加了测量光程，也极大的提高了光路的稳定性和可靠行，还在减少生产中的调试难度的同时，降低了生产加工成本。

同时，粘贴在两平面反射镜后边的加热片连接一个加热驱动电路，并由传感器自带的温度传感器，以及激光光强探测器和光电探测器检测的光强差值控制，当该光强差值增大到所预设的启动阈值时，控制电路发出启动加热信号，加热驱动电流将将通过加热片来保持镜面温度高于环境温度，从而使镜面保持非凝水状态。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

一种光电气体传感器探头，包括多点反射二维光路模块体、嵌设在所述光路模块体内的第一平面反射镜、第二平面反射镜、平行光光源、光电探测器；所述光路模块体的内部形成容纳待测气体的气体吸收池，待测气体由所述光路模块体上方进入所述气体吸收池内；其特征在于，所述第一平面反射镜、第二平面反射镜的反射面相对设置且相互平行，所述第一平面反射镜、第二平面反射镜的中心不在同一直线上；还包括分别设置在所述第一平面反射镜、第二平面反射镜的反射面中部用于固定所述第一平面反射镜、第二平面反射镜的三角形反射镜卡块；两个所述反射镜卡块相对的尖角角度与所述平行光光源发出的平行光光束的反射角度一致；所述平行光光束经过所述第一平面反射镜、第二平面反射镜的多次反射后由光电探测器接收。

作为上述方案的进一步说明，所述三角形反射镜卡块的截面形状为等腰三角形。

作为上述方案的进一步说明，所述光路模块体上设有用于安装所述第一平面反射镜、第二平面反射镜的卡槽，所述卡槽两侧的内壁与所述反射镜卡块的底部在同一水平面上。

作为上述方案的进一步说明，所述卡槽内还分别设有用于加热所述第一平面反射镜、第二平面反射镜的加热片，所述加热片分别贴紧设置在所述第一平面反射镜、第二平面反射镜的背面。

作为上述方案的进一步说明，所述第一平面反射镜、第二平面反射镜、加热片、反射镜卡块均通过螺钉固定在卡槽两侧的内壁上。

作为上述方案的进一步说明，所述卡槽内填充设有用于包覆所述第一平面反射镜、第二平面反射镜及加热片的绝热体。

作为上述方案的进一步说明，所述光路模块体的底部设有用于检测吸收池内温度和气压的传感器，所述传感器的输出信号用于计算气体浓度时做补偿。

作为上述方案的进一步说明，所述平行光光源包括自带光强探测器的激光器和平行光透镜，所述激光器通过平行光透镜发出平行光光束；所述光电探测器前端设有聚焦透镜，所述聚焦透镜用于将所述平行光束聚焦到所述光电探测器的光敏面上。

作为上述方案的进一步说明，所述光电气体传感器探头还包括探头壳体，所述探头壳体包括上壳体和下壳体，所述光电气体传感器探头设置在由上壳体和下壳体形成的空腔内；所述下壳体上还设有驱动电路模块及信号处理电路模块，所述平行光光源和加热片分别与所述驱动电路模块形成电连接；所述激光器自带的探测器、光电探测器和温度压力传感器与所述信号处理电路模块形成电连接。

作为上述方案的进一步说明，所述驱动电路模块还包括嵌入式的用于采集所述激光器自带的探测器、光电探测器的输出信号并分析计算后通过控制加热驱动电流以控制所述加热片驱动电路的启动/关断的控制模块。

作为上述方案的进一步说明，所述上壳体顶部设置有多个气体进气孔；所述气体进气孔的上方还安装有滤网。

作为上述方案的进一步说明，所述光路模块体内壁及顶部均涂有黑色减反射光的涂层。

本发明的目的之二在于提供一种光电气体检测装置，该光电气体检测装置包括上述的光电气体传感器探头。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

1、本发明通过设置三角形反射镜卡块和反射镜的卡槽两侧的内壁固定平行反射镜，无需使用胶粘粘贴反射镜，有效的避免粘胶受潮脱胶的问题，同时减小吸收池容积，增加了测量光程，也极大的提高了光路的稳定性和可靠行，还在减少生产中的调试难度的同时，降低了生产加工成本；

2、此外，本发明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，保证了两平面反射镜的镜面相互平行的精度，从而在实际生产中减少了调节光路的难度；整体发明设计不但减少了生产工艺的复杂性，并且也提高产品的成品率，便利于大规模生产；

3、同时，本发明在平面反射镜后设置加热片，利用气室温度信息，以及激光器的光强探测器和光电探测器监测到的平行激光束的两平均光强的差值，来启动/关断加热片驱动电路，使传感器在低温状态下始终保持所述平面反射镜的温度高于环境温度，避免平面反射镜面产生凝水问题，提高使用稳定性；

4、本发明通过双平行反射镜产生的多点反射形成的二维光路，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；由于这种多点反射二维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。

附图说明

图1为本发明实施例1的光电气体传感器探头中的光路模块体的多点反射二维光路示意图；

图2为本发明实施例1的光电气体传感器探头中的光路模块体的剖面示意图；

图3为本发明实施例1的光电气体传感器探头中的光路模块体设置在探头壳体内的结构示意图。

图中：1、光路模块体；11、卡槽；2、第一平面反射镜；3、第二平面反射镜；4、平行光光源；5、光电探测器；6、反射镜卡块；7、加热片；8、传感器；9、螺钉；100、探头壳体；101、上壳体；102、下壳体；103、进气孔；104、滤网；105、驱动电路模块；106、信号处理电路模块。

具体实施方式

为了便于理解本发明，以下结合附图及实施例，对所述发明的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。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中的任何一个技术特征，均可以在这些技术特征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。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

在本发明的描述中，除非另有说明，术语“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“相对”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1光电气体传感器探头

如图1-3所示，一种光电气体传感器探头，包括多点反射二维光路模块体1、嵌设在所述光路模块体1内的第一平面反射镜2、第二平面反射镜3、平行光光源4、光电探测器5；所述光路模块体1的内部形成容纳待测气体的气体吸收池，其内部的容积用于容纳待测气体；待测气体由所述光路模块体1上方进入所述气体吸收池内；所述第一平面反射镜2、第二平面反射镜3的反射面相对设置且相互平行，所述第一平面反射镜2、第二平面反射镜3的中心不在同一直线上；还包括分别设置在所述第一平面反射镜2、第二平面反射镜3的反射面中部用于固定所述第一平面反射镜2、第二平面反射镜3的三角形反射镜卡块6；两个所述反射镜卡块6相对的尖角角度与所述平行光光源4发出的平行光光束的反射角度一致；所述平行光光束经过所述第一平面反射镜2、第二平面反射镜3的多次反射后由光电探测器5接收。

在本实施方式中，通过设置三角形反射镜卡块6固定平行反射镜，无需使用胶粘贴反射镜，有效的避免粘胶受潮脱胶的问题，同时减小吸收池容积，增加了测量光程，也极大的提高了光路的稳定性和可靠行，还在减少生产中的调试难度的同时，降低了生产加工成本；

此外，本发明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，保证了两平面反射镜的镜面相互平行的精度，从而在实际生产中减少了调节光路的难度；整体发明设计不但减少了生产工艺的复杂性，并且也提高产品的成品率，便利于大规模生产。

如图1所示，在本实施方式中，所述第一平面反射镜2、第二平面反射镜3的反射面相对设置且相互平行，同时所述第一平面反射镜2、第二平面反射镜3的中心不在同一直线上，二者的中心存在偏距，当一束平行光从所述平行光光源以一个入射角照射到第一平面反射镜2，其反射光束将以同样的入射角射向第二平面反射镜3，第二束反射光束又以同样的入射角反射向第一平面反射镜2，反射光束将继续在所述第一平面反射镜2、第二平面反射镜3之间连续反射两次，直到最后的反射光束由一个光电探测器5接收，并由光电探测器5将光信号转化成电子信号。

本发明所述的由双平行反射镜产生的多点反射二维光路光电气体传感器探头，由于整个二维光路是嵌入在一个完整的金属或合成材料模块体中，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。

在本实施方式中，制作所述光路模块体1材料可以是金属，塑料，合成材料等固体材料，所述多点光反射二维光路可通过机械加工或精密注塑形成，所述多点光反射二维光路由两个平面反射镜中间的五条直线光路组成，并嵌入所述光路模块体1中。

在本发明中，当所述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。

作为进一步优选的实施方式，所述三角形反射镜卡块6的截面形状为等腰三角形。

作为进一步优选的实施方式，所述光路模块体1上设有用于安装所述第一平面反射镜2、第二平面反射镜3的卡槽11，所述卡槽11两侧的内壁与所述反射镜卡块6的底部在同一水平面上。这样设计的好处是，在安装所述第一平面反射镜、第二平面反射镜时，所述第一平面反射镜、第二平面反射镜的反射面就可以同时和对应卡槽两侧的内壁和反射镜卡块的底部壁紧密接触，再分别用塑料头螺钉将第一平面反射镜、第二平面反射镜压在对应卡槽的两侧的内壁和反射镜卡块的底部上，就可以达到将第一平面反射镜、第二平面反射镜固定在吸收池的两侧的目的；

由于第一平面反射镜2、第二平面反射镜3由螺钉10机械固定在气体吸收池两侧，不需要使用胶粘的工序，因此这种设计有效的避免了粘胶受潮脱胶的问题；反射镜卡块的另一个功能是减少检测气室的有效空间，从而减小传感器的测量响应时间。

作为进一步优选的实施方式，所述卡槽11内还分别设有用于加热所述第一平面反射镜2、第二平面反射镜3的加热片7，所述加热片7分别贴紧设置在所述第一平面反射镜2、第二平面反射镜3的背面。

在本实施方式中，所述加热片7的尺寸小于所述第一平面反射镜2、第二平面反射镜3；所述加热片7为一种超微型金属陶瓷加热元件，Metal Ceramics Heater(MCH)，该元件是一种高效节能环保的陶瓷发热元件，相比合金丝和PTC陶瓷发热体，MCH具有耐腐蚀，发热体表面不带电，耐冷热冲击，寿命长，加热均匀，导热效率高，符合欧盟RoHS环保要求等优点。由于微型MCT所以热应答性高，通过紧贴具有绝缘性的反射镜的反面，能够对反射镜反光部位进行直接有效地加热。

作为进一步优选的实施方式，所述第一平面反射镜2、第二平面反射镜3、加热片7、反射镜卡块6均通过螺钉固定在卡槽11两侧的内壁上。

作为进一步优选的实施方式，所述卡槽11内填充设有用于包覆所述第一平面反射镜2、第二平面反射镜3及加热片7的绝热材料。在本实施方式中，在所述第一平面反射镜2、第二平面反射镜3及加热片7安装调试完成后，分别在卡槽内填充绝热材料，保证加热片产生的热量全部用于加热反射镜，这样可以有效的减少加热所需功耗。由于MCT可以在低电压下发热，可以实时的控制加在热片上的电压值，实现加热片工作状态和休息状态的动态调整和切换，从而可以进一步减少整个测量系统的功耗。

作为进一步优选的实施方式，所述光路模块体1的底部设有用于检测吸收池内温度和气压的传感器9，所述传感器的输出信号用于计算气体浓度时做补偿。在本实施方式中，设置所述传感器9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。

作为进一步优选的实施方式，所述平行光光源4包括自带光强探测器的激光器(附图未示意)和平行光透镜(附图未示意)，所述激光器通过平行光透镜发出平行光光束；所述光电探测器前端设有聚焦透镜，所述聚焦透镜用于将所述平行光束聚焦到所述光电探测器的光敏面上。本发明所述的平行光光源为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；该激光器的封装帽中安装有所述光强探测器，该光探测器可以对激光器光源的光强变化进行实时检测。

作为进一步优选的实施方式，所述光电气体传感器探头还包括探头壳体100，所述探头壳体100包括上壳体101和下壳体102，所述光电气体传感器探头设置在由上壳体101和下壳体102形成的空腔内；所述下壳体102上还设有驱动电路模块105及信号处理电路模块106，所述平行光光源4和加热片7分别与所述驱动电路模块105形成电连接；所述激光器自带的探测器、光电探测器和温度压力传感器与所述信号处理电路模块形成电连接。

在本实施方式中，所述传感器自带的温度传感器和激光光强探测器通过对吸收池的实时温度检测、比较对应的露点温度以及对激光光强探测器和光电探测器接收的激光强度的检测和比较，向驱动电路模块输送信号，控制加热驱动电流，使加热片加热，保持镜面温度高于环境温度2°到4℃，从而使镜面保持非凝水状态。

作为进一步优选的实施方式，所述驱动电路模块还包括嵌入式的用于采集所述激光器自带的探测器、光电探测器的输出信号并分析计算后通过控制加热驱动电流以控制所述加热片驱动电路的启动/关断的控制模块(附图未示意)。

在本实施方式中，所述传感器传输信号后加热片加热控制原理及过程具体为，传感器工作在低温高潮湿的环境中，当气室温度低于所预设的露点温度，同时，如果激光器的光强探测器测量到的光强没有变化，而光电探测器探测到的经过多次反射后的平行光束的光强减弱，即，两探测器检测到的光强差值增大，说明可能在镜面反射点产生微量水凝；如果光电探测器得到的激光器光强值下降到预设值，或两探测器检测到的光强差值增大到启动预设值，控制加热片的电路开始启动，对加热片的驱动电流逐步调升，使加热片对反射镜面的反射点进行局部加温，直到光电探测器得到的平行光束光强值回升到原来的正常值后，或两探测器检测到的光强差值减少到关断预设值，加热片控制电路再逐步降低加在加热片上的电流，减少局部加温甚至到停止加温。通过对气室温度检测，以及对激光器探测器和光电探测器得到的激光器光强值的检测和比较，可以有效的、动态的调整控制加热片的工作状态，保证探测器得到的激光器值一直大于正常值，也就是，通过加热片的局部加热来保证镜面反射点不会产生影响激光光强的水凝，以便达抗凝水的目的。

综上所述，所述加热片的驱动电路的启动关断由嵌入式的控制模块控制，并由实测的气室温度值，以及激光器自带探测器测量的光强值与光电探测器监测到的平行激光束的平均光强值的差值来确定启动或关断(平均光强小于/大于预设值时，启动/关断加热片的驱动电路)。在气室温度低于预设温度值时，当激光器的探测器和光电探测器监测到的平均光强差值大于预设阈值时，就启动加热片；当平均光强差值小于光强阈值时，就加热片关断。本发明这样设置可有效的、动态的调整控制加热片的工作状态；智能化控制更精准，同时也降低了传感器探头的工作能耗。

作为进一步优选的实施方式，所述上壳体101顶部设置有多个气体进气孔103；所述气体进气孔103的上方还安装有滤网104。

在本实施方式中，所述滤网104为金属烧结滤网，待测气体通过烧结过滤网104扩散进入所述气体吸收池中；其用于防止灰尘、杂质等进入吸收池内部污染光路中的光学元件，该滤网104可在维护时更换，操作方便。

作为进一步优选的实施方式，所述光路模块体1内壁及顶部均涂有黑色减反射光的涂层；以便减少杂散光的干扰并起到防腐蚀的作用。

本实施例1的光电气体传感器探头工作原理如下：当一束平行光从所述平行光光源以一个入射角照射到第一平面反射镜，其反射光束将以同样的入射角射向第二平面反射镜，第二束反射光束又以同样的入射角反射向第一平面反射镜，反射光束将继续在所述第一平面反射镜、第二平面反射镜之间连续反射两次，直到最后的反射光束由一个光电探测器接收，并由光电探测器将光信号转化成电子信号。

实施例2光电气体检测装置

本发明还提供一种光电气体检测装置，该光电气体检测装置包括上述实施例1的光电气体传感器探头。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种光电气体传感器探头，包括多点反射二维光路模块体、嵌设在所述光路模块体内的第一平面反射镜、第二平面反射镜、平行光光源、光电探测器；所述光路模块体的内部形成容纳待测气体的气体吸收池，待测气体由所述光路模块体上方进入所述气体吸收池内；其特征在于，所述第一平面反射镜、第二平面反射镜的反射面相对设置且相互平行，所述第一平面反射镜、第二平面反射镜的中心不在同一直线上；还包括分别设置在所述第一平面反射镜、第二平面反射镜的反射面中部用于固定所述第一平面反射镜、第二平面反射镜的三角形反射镜卡块；两个所述反射镜卡块相对的尖角角度与所述平行光光源发出的平行光光束的反射角度一致；所述平行光光束经过所述第一平面反射镜、第二平面反射镜的多次反射后由光电探测器接收。

2.如权利要求1所述的光电气体传感器探头，其特征在于，所述三角形反射镜卡块的截面形状为等腰三角形。

3.如权利要求1所述的光电气体传感器探头，其特征在于，所述光路模块体上设有用于安装所述第一平面反射镜、第二平面反射镜的卡槽，所述卡槽的底部与所述反射镜卡块的底部在同一水平面上。

4.如权利要求3所述的光电气体传感器探头，其特征在于，在所述第一平面反射镜、第二平面反射镜背面还分别设有用于加热的加热片，所述加热片分别贴紧设置在所述第一平面反射镜、第二平面反射镜的背面。

5.如权利要求3所述的光电气体传感器探头，其特征在于，所述卡槽内填充设有用于包覆所述第一平面反射镜、第二平面反射镜及加热片的绝热材料。

6.如权利要求1所述的光电气体传感器探头，其特征在于，所述光路模块体的底部设有用于检测吸收池内温度和气压的传感器，所述传感器的输出信号用于计算气体浓度时做补偿。

7.如权利要求5所述的光电气体传感器探头，其特征在于，所述平行光光源包括自带光强探测器的激光器及平行光透镜，所述激光器通过所述平行光透镜发出平行光光束；所述光电探测器前端设有聚焦透镜，所述聚焦透镜用于将所述平行光束聚焦到所述光电探测器的光敏面上。

8.如权利要求7所述的光电气体传感器探头，其特征在于，所述光电气体传感器探头还包括探头壳体，所述探头壳体包括上壳体和下壳体，所述光电气体传感器探头设置在由上壳体和下壳体形成的空腔内；所述下壳体上还嵌设有驱动电路模块及信号处理电路模块，所述平行光光源和加热片分别与所述驱动电路模块形成电连接；所述激光器自带的探测器、光电探测器和温度压力传感器与所述信号处理电路模块形成电连接。

9.如权利要求8所述的光电气体传感器探头，其特征在于，所述驱动电路模块还包括嵌入式的用于采集所述激光器自带的探测器、光电探测器的输出信号并分析计算后通过控制加热驱动电流以控制所述加热片驱动电路的启动/关断的控制模块。

10.一种光电气体检测装置，其特征在于，该光电气体检测装置包括如权利要求1-9任一项所述的光电气体传感器探头。

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