CN114199822B - 一种气体检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气体检测装置及方法，应用于气体检测技术领域，该气体检测装置包括激光发射单元、衰荡单元和激光接收单元；所述激光发射单元用于将激光发射到所述衰荡单元，所述衰荡单元用于将激光进行衰荡，所述激光接收单元用于接收来自所述衰荡单元发出的激光；所述衰荡单元包括壳体以及与所述壳体固定的第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜和第五腔镜，激光依次沿所述第一腔镜、所述第二腔镜、所述第三腔镜、所述第四腔镜和所述第五腔镜的顺序进行传输，所述第一腔镜与入射到所述第一腔镜的激光所在的直线存在夹角。本发明提供了一种气体检测装置及方法，能够避免气体检测过程中产生光反馈现象。

Description

一种气体检测装置及方法

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，特别涉及一种气体检测装置及其使用方法。

背景技术

腔衰荡技术具有高灵敏度、高精度和高光谱分辨率的特点，利用该技术可以检测到微量气体的含量。

相关技术中，基于腔衰荡技术的气体检测装置包括激光器和呈直线型的衰荡腔，激光器发出的激光经过衰荡腔后，其光强会减弱。然而，该衰荡腔中腔镜的镜面法线与光路重合，这样会导致激光进入衰荡腔后，部分激光会通过腔镜反射回到激光器中(即产生光反馈现象)，从而会损害激光器，并影响气体检测的准确性。

因此，急需一种气体检测装置及方法来解决上述问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种气体检测装置及方法，能够避免气体检测过程中产生光反馈现象。

第一方面，本发明提供一种气体检测装置，包括激光发射单元、衰荡单元和激光接收单元；

所述激光发射单元用于将激光发射到所述衰荡单元，所述衰荡单元用于将激光进行衰荡，所述激光接收单元用于接收来自所述衰荡单元发出的激光；

所述衰荡单元包括壳体以及与所述壳体固定的第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜和第五腔镜，激光依次沿所述第一腔镜、所述第二腔镜、所述第三腔镜、所述第四腔镜和所述第五腔镜的顺序进行传输，所述第一腔镜与入射到所述第一腔镜的激光所在的直线存在夹角。

优选地，所述第一腔镜、所述第二腔镜、所述第三腔镜、所述第四腔镜和所述第五腔镜形成正五边形结构，激光在所述第一腔镜、所述第二腔镜、所述第三腔镜、所述第四腔镜和所述第五腔镜中的反射光路形成正五角星的形状。

优选地，所述第一腔镜、所述第二腔镜、所述第三腔镜、所述第四腔镜和所述第五腔镜中的一个或两个腔镜朝向所述壳体中心的一面为平面，其他腔镜为凹面。

优选地，所述第一腔镜、所述第二腔镜、所述第三腔镜、所述第四腔镜和所述第五腔镜朝向所述壳体中心的一面为凹面。

优选地，所述第一腔镜、所述第二腔镜、所述第三腔镜、所述第四腔镜和所述第五腔镜朝向所述壳体的中心的面镀有高反膜，所述第一腔镜的入射面和所述第二腔镜的出射面均镀有高透膜。

优选地，所述壳体的侧壁设置有安装孔，所述第三腔镜、所述第四腔镜和所述第五腔镜中的至少一个固定于所述安装孔，与所述安装孔固定的腔镜的外表面镀有可见光高透膜。

优选地，所述激光发射单元包括激光调控子单元、准直镜、模式匹配腔镜；

所述激光调控子单元包括激光器、固定于所述激光器底部的热沉金属板、与所述激光器连接的信号控制板，所述信号控制板用于控制所述激光器输出的激光的波长；

所述准直镜为面型是抛物面的反射镜，所述反射面镀有金属膜；

所述模式匹配腔镜包括至少一个由K9玻璃制成凸面镜，所述凸面镜的表面镀有增透膜。

优选地，所述激光接收单元包括聚焦镜、光电探测器、数据采集板；

所述光电探测器将光信号转为电信号并将所述电信号输入所述数据采集板；

所述聚焦镜为面型是抛物面的反射镜，所述反射面镀有金属膜；

所述光电探测器包括靶面，所述靶面采用InGaAs材料制得；

所述聚焦镜使所述衰荡腔单元输出的光路聚焦到所述靶面上。

优选地，所述气体检测装置还包括电源适配器、电源接口、显控器、数据传输口和气体泵；

所述衰荡腔单元包括进气口和出气口；

所述电源适配器通过所述电源接口与所述气体检测装置连接；

所述显控器通过所述数据传输口与所述气体检测装置连接，所述显控器用于控制指令发送和数据接收；

所述气体泵通过所述进气口与所述气体检测装置连接。

第二方面，本发明提供一种气体检测的方法，采用上述第一方面任一所述的气体检测装置进行检测，所述气体检测装置包括激光器、光电探测器和信号控制板；

所述使用方法包括如下步骤：

通入零气至所述气体检测装置，开启所述激光器，当所述光电探测器接收到的光强达到所述信号控制板设定的触发阈值时，所述激光器关闭；

光在衰荡腔中衰减，直到光强衰减至所述触发阈值的1/e时，记录第一衰荡时间；

通入待测气体至所述气体检测装置，开启所述激光器，当所述光电探测器接收到的光强达到所述信号控制板设定的所述触发阈值时，所述激光器关闭；

光在衰荡腔中衰减，直到光强衰减至所述触发阈值的1/e时，记录第二衰荡时间；

根据所述第一衰荡时间和所述第二衰荡时间，计算所述待测气体的浓度。

本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：

在本发明中，第一腔镜与入射到第一腔镜的激光所在的直线存在夹角，如此设置，使第五腔镜反射的光透过第一腔镜后不与激光发射单元发出的激光重合，从而避免了光反馈现象，进而减小了检测误差。

在本发明中，衰荡单元包括五个腔镜，激光射入衰荡腔后，激光依次沿第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜和第五腔镜的顺序进行循环传输，光路在衰荡腔中循环传输时，会形成五条直线光路，五条直线光路的长度的和为待测气体的吸收光程，吸收光程越长，气体检测装置的检测能力越强。由五个腔镜构成的衰荡腔会产生五条直线光路，相较于具有相同壳体尺寸的三腔镜衰荡腔和四腔镜衰荡腔，五个腔镜拥有更长的吸收光程，进而拥有更强的气体检测能力。

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，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种气体检测装置的侧视图；

图2是本发明实施例提供的一种气体检测装置的俯视图；

图3是本发明实施例提供的一种气体检测装置通入零气时电流变化的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种气体检测装置通入零气时光强变化的示意图；

图5是本发明实施例提供的一种气体检测装置通入待测气体时电流变化的示意图；

图6是本发明实施例提供的一种气体检测装置通入待测气体时光强变化的示意图。

图中：

1、激光发射单元；

11、激光调控子单元；

111、激光器；112、热沉金属板；113、信号控制板；

12、准直镜；

13、模式匹配腔镜；

2、衰荡单元；

21、壳体；22、第一腔镜；23、第二腔镜；24、第三腔镜；25、第四腔镜；26、第五腔镜；27、进气口；28、出气口；

3、激光接收单元；

31、聚焦镜；32、光电探测器；33、数据采集板；

4、电源适配器；

5、电源接口；

6、显控器；

7、数据传输口；

8、气体泵。

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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本说明书的描述中，需要理解的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。

如图1和图2所示，本发明提供一种气体检测装置，包括激光发射单元1、衰荡单元2和激光接收单元3；

激光发射单元1用于将激光发射到衰荡单元2，衰荡单元2用于将激光进行衰荡，激光接收单元3用于接收来自衰荡单元2发出的激光；

衰荡单元2包括壳体21以及与壳体21固定的第一腔镜22、第二腔镜23、第三腔镜24、第四腔镜25和第五腔镜26，激光依次沿第一腔镜22、第二腔镜23、第三腔镜24、第四腔镜25和第五腔镜26的顺序进行传输，第一腔镜22与入射到第一腔镜22的激光所在的直线存在夹角。

在本发明中，第一腔镜22与入射到第一腔镜22的激光所在的直线存在夹角，如此设置，使第五腔镜26反射的光透过第一腔镜22后不与激光发射单元1发出的激光重合，从而避免了光反馈现象，进而减小了检测误差。

在本发明中，衰荡单元2包括五个腔镜，激光射入衰荡腔后，激光依次沿第一腔镜22、第二腔镜23、第三腔镜24、第四腔镜25和第五腔镜26的顺序进行循环传输，光路在衰荡腔中循环传输时，会形成五条直线光路，五条直线光路的长度的和为待测气体的吸收光程，吸收光程越长，气体检测装置的检测能力越强。由五个腔镜构成的衰荡腔会产生五条直线光路，相较于具有相同壳体尺寸的三腔镜衰荡腔和四腔镜衰荡腔，五个腔镜拥有更长的吸收光程，进而拥有更强的气体检测能力。

需要说明的是，衰荡腔中存在待测气体时，衰荡腔中的光路穿过待测气体的过程中，激光会被待测气体吸收一部分，导致激光的强度减弱。当待测气体的浓度不变时，光路越长，激光的减弱速度越快，衰荡腔的气体检测能力越强。因此，包括五个腔镜的衰荡腔拥有更多的直线光路，拥有更长的吸收光程，进而拥有更强的气体检测能力。

根据一些优选的实施方式，第一腔镜22、第二腔镜23、第三腔镜24、第四腔镜25和第五腔镜26形成正五边形结构，激光在第一腔镜22、第二腔镜23、第三腔镜24、第四腔镜25和第五腔镜26中的反射光路形成正五角星的形状。

在本发明中，通过将第一腔镜22、第二腔镜23、第三腔镜24、第四腔镜25和第五腔镜26设置成正五边形结构，使激光在衰荡腔中的传播形成的光路呈正五角星的形状。正五角星形的光路相对于其他形状的光路拥有更长的吸收光程，可以明显地提升五腔镜衰荡腔的气体检测能力。

需要说明的是，腔镜采用熔石英制得，腔镜的面型小于0.1个波长，如此设置，使镜面的平整度更好。

根据一些优选的实施方式，第一腔镜22、第二腔镜23、第三腔镜24、第四腔镜25和第五腔镜26中的一个或两个腔镜朝向壳体21中心的一面为平面，其他腔镜为凹面。

在本发明中，通过腔镜平面镜与凹面镜的配合，使光波形成与待测气体波长相匹配的光学谐振腔。

根据一些更优选的实施方式，第一腔镜22、第二腔镜23、第三腔镜24、第四腔镜25和第五腔镜26朝向壳体21中心的一面为凹面。

在本发明中，相较于平面镜和凹面镜相配合的方案，全部采用凹面镜使光波形成与待测气体波长相匹配的光学谐振腔更加稳定。

根据一些优选的实施方式，第一腔镜22、第二腔镜23、第三腔镜24、第四腔镜25和第五腔镜26朝向壳体21的中心的面镀有高反膜，第一腔镜22的入射面和第二腔镜23的出射面镀有高透膜。

在本发明中，高反膜的厚度等于可被待测气体吸收的光波的波长，高反膜的反射率大于0.9999，高透膜的厚度等于可被待测气体吸收的光波的波长，反射率小于0.01。

需要说明的是，上述反射率是相对固定波长的反射率，所述固定波长为可被待测气体吸收的光波的波长。

根据一些优选的实施方式，壳体21的侧壁设置有安装孔，第三腔镜24、第四腔镜25和第五腔镜26中的至少一个固定于安装孔，与安装孔固定的腔镜的外表面镀有可见光高透膜。

在本发明中，壳体21的侧壁设置有安装孔，第三腔镜24、第四腔镜25和第五腔镜26中的至少一个固定于安装孔，与安装孔固定的腔镜的外表面镀有可见光高透膜，如此设置，使装置使用者可从外界观察衰荡腔内的情况，避免由于衰荡腔内进入异物或出现污染从而降低检测的精准度。

根据一些优选的实施方式，激光发射单元1包括激光调控子单元11、准直镜12、模式匹配腔镜13；

激光调控子单元11包括激光器111、固定于激光器111底部的热沉金属板112、与激光器111连接的信号控制板113，信号控制板113用于控制激光器111输出的激光的波长；

准直镜12为面型是抛物面的反射镜，反射面镀有金属膜；

模式匹配腔镜13包括至少一个由K9玻璃制成凸面镜，凸面镜的表面镀有增透膜。

在本发明中，激光调控子单元11发射出激光，经过准直镜12矫正后入射到模式匹配腔镜13，模式匹配腔镜13将激光光束的腰斑调整后输出激光光束到衰荡腔。

需要说明的是，激光器111输出激光的波长为可被待测气体吸收的光的波长，激光器111的输出波长可通过信号控制板113来控制。激光器111采用TO封装的DFB可调谐二极管激光器111，激光器111和热沉金属板112的缝隙间涂有导热硅脂。

根据一些优选的实施方式，激光接收单元3包括聚焦镜31、光电探测器32、数据采集板33；

光电探测器32将光信号转为电信号并将电信号输入数据采集板33；

聚焦镜31为面型是抛物面的反射镜，反射面镀有金属膜；

光电探测器32包括靶面，靶面采用InGaAs材料制得；

聚焦镜31使衰荡腔单元输出的光路聚焦到靶面上。

在本发明中，衰荡腔输出的激光光束经过聚焦镜31入射到光电探测器32的靶面上，然后光电探测器32将光强信号转换为电压信号并输入至数据采集板33中完成数据采集。

需要说明的是，靶面的直径为1mm，响应速度为2ns。

根据一些优选的实施方式，气体检测装置还包括电源适配器4、电源接口5、显控器6、数据传输口7和气体泵；

衰荡腔单元包括进气口27和出气口28；

电源适配器4通过电源接口5与气体检测装置连接；

显控器6通过数据传输口7与气体检测装置连接，显控器6用于控制指令发送和数据接收；

气体泵通过进气口27与气体检测装置连接。

在本发明中，电源适配器4用于供电转换，将220V/50Hz交流电转换为12V/1A直流电。气体泵为小型低功率隔膜泵，用于将待测气体泵入衰荡腔。

需要说明的是，显控器6与气体检测装置之间既可通过type-C接口连接，也可以通过无线通讯连接。显控器6用于发送指令给信号控制板113，接收来自数据采集板33的气体浓度数据。

本发明还提供一种气体检测的方法，采用上述任一的气体检测装置进行检测，气体检测装置包括激光器111、光电探测器32和信号控制板113；

使用方法包括如下步骤：

通入零气至气体检测装置，开启激光器111，当光电探测器32接收到的光强达到信号控制板113设定的触发阈值时，激光器111关闭；

光在衰荡腔中衰减，直到光强衰减至触发阈值的1/e时，记录第一衰荡时间；

通入待测气体至气体检测装置，开启激光器111，当光电探测器32接收到的光强达到信号控制板113设定的触发阈值时，激光器111关闭；

光在衰荡腔中衰减，直到光强衰减至触发阈值的1/e时，记录第二衰荡时间；

根据第一衰荡时间和第二衰荡时间，计算待测气体的浓度。

下面结合上述气体检测装置的结构，对本发明实施例中气体检测方法进行进一步说明。

开启装置开关，设定参数，将激光器111输出波长设定为待测气体的吸收波长λ。从进气口27通入零气，开启激光器111，入射光束经准直镜12、模式匹配腔镜13后进入衰荡腔中，透射光束经聚焦镜31汇聚后，由光电探测器32接收，并将光信号转换为电信号，在数据采集板33上采用快速傅里叶变换算法进行数据处理。如图3和图4所示，在t₀₁时刻，透射光强达到信号控制板113设定的触发阈值，激光器111在反馈控制下发生关断。光电探测器32接收到的透射光强由最大值开始衰减，光强衰减到最大光强的1/e时为t₁₁时刻。此时腔内气体为零气，(t₁₁-t₀₁)记为空腔衰荡时间。激光器111在控制下可自动实现再次出光，重复上述过程，可以得到多组空腔衰荡时间，取其平均值为T₀。

从进气口27通入待测气体。如图5和图6所示，在t₀₂时刻，透射光强达到信号控制板113设定的触发阈值，激光器111在反馈控制下发生关断。光电探测器32接收到的透射光强由最大值开始衰减，光强衰减到最大光强的1/e时为t₁₂时刻。此时腔内气体为待测气体，(t₁₂-t₀₂)记为样品衰荡时间。激光器111在控制下可自动实现再次出光，重复上述过程，可以得到多组样品衰荡时间，取其平均值为T₁。

待测气体浓度Conc表示为：

Conc＝c^-1·[T₁ ^-1-T₀ ^-1]·σ(λ)^-1；

其中c为光速，σ(λ)为待测气体在吸收波长λ处的吸收截面。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种气体检测装置，其特征在于，包括激光发射单元（1）、衰荡单元（2）和激光接收单元（3）；

所述激光发射单元（1）用于将激光发射到所述衰荡单元（2），所述衰荡单元（2）用于将激光进行衰荡，所述激光接收单元（3）用于接收来自所述衰荡单元（2）发出的激光；

所述衰荡单元（2）包括壳体（21）以及与所述壳体（21）固定的第一腔镜（22）、第二腔镜（23）、第三腔镜（24）、第四腔镜（25）和第五腔镜（26），激光依次沿所述第一腔镜（22）、所述第二腔镜（23）、所述第三腔镜（24）、所述第四腔镜（25）和所述第五腔镜（26）的顺序进行传输，所述第一腔镜（22）与入射到所述第一腔镜（22）的激光所在的直线存在夹角；

所述第一腔镜（22）、所述第二腔镜（23）、所述第三腔镜（24）、所述第四腔镜（25）和所述第五腔镜（26）形成正五边形结构，激光在所述第一腔镜（22）、所述第二腔镜（23）、所述第三腔镜（24）、所述第四腔镜（25）和所述第五腔镜（26）中的反射光路形成正五角星的形状；

所述第一腔镜（22）、所述第二腔镜（23）、所述第三腔镜（24）、所述第四腔镜（25）和所述第五腔镜（26）朝向所述壳体（21）中心的一面为凹面，使光波形成与待测气体波长相匹配的光学谐振腔更加稳定；

进入所述衰荡单元（2）的激光和射出所述衰荡单元（2）的激光位于同一直线。

2.根据权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，所述第一腔镜（22）、所述第二腔镜（23）、所述第三腔镜（24）、所述第四腔镜（25）和所述第五腔镜（26）朝向所述壳体（21）的中心的面镀有高反膜，所述第一腔镜（22）的入射面和所述第二腔镜（23）的出射面均镀有高透膜。

3.根据权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，所述壳体（21）的侧壁设置有安装孔，所述第三腔镜（24）、所述第四腔镜（25）和所述第五腔镜（26）中的至少一个固定于所述安装孔，与所述安装孔固定的腔镜的外表面镀有可见光高透膜。

4.根据权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，所述激光发射单元（1）包括激光调控子单元（11）、准直镜（12）、模式匹配腔镜（13）；

所述激光调控子单元（11）包括激光器（111）、固定于所述激光器（111）底部的热沉金属板（112）、与所述激光器（111）连接的信号控制板（113），所述信号控制板（113）用于控制所述激光器（111）输出的激光的波长；

所述准直镜（12）为面型是抛物面的反射镜，所述准直镜（12）的反射面镀有金属膜；

所述模式匹配腔镜（13）包括至少一个由K9玻璃制成凸面镜，所述凸面镜的表面镀有增透膜。

5.根据权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，所述激光接收单元（3）包括聚焦镜（31）、光电探测器（32）、数据采集板（33）；

所述光电探测器（32）将光信号转为电信号并将所述电信号输入所述数据采集板（33）；

所述聚焦镜（31）为面型是抛物面的反射镜，所述聚焦镜（31）的反射面镀有金属膜；

所述光电探测器（32）包括靶面，所述靶面采用InGaAs材料制得；

所述聚焦镜（31）使所述衰荡单元（2）输出的光路聚焦到所述靶面上。

6.根据权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，所述气体检测装置还包括电源适配器（4）、电源接口（5）、显控器（6）、数据传输口和气体泵（8）；

所述衰荡单元（2）包括进气口（27）和出气口（28）；

所述电源适配器（4）通过所述电源接口（5）与所述气体检测装置连接；

所述显控器（6）通过所述数据传输口与所述气体检测装置连接，所述显控器（6）用于控制指令发送和数据接收；

所述气体泵（8）通过所述进气口（27）与所述气体检测装置连接。

7.一种气体检测的方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一所述的气体检测装置进行检测，所述气体检测装置包括激光器（111）、光电探测器（32）和信号控制板（113）；

所述方法包括如下步骤：

通入零气至所述气体检测装置，开启所述激光器（111），当所述光电探测器（32）接收到的光强达到所述信号控制板（113）设定的触发阈值时，所述激光器（111）关闭；

光在所述衰荡单元（2）中衰减，直到光强衰减至所述触发阈值的1/e时，记录第一衰荡时间；

通入待测气体至所述气体检测装置，开启所述激光器（111），当所述光电探测器（32）接收到的光强达到所述信号控制板（113）设定的所述触发阈值时，所述激光器（111）关闭；

光在所述衰荡单元（2）中衰减，直到光强衰减至所述触发阈值的1/e时，记录第二衰荡时间；

根据所述第一衰荡时间和所述第二衰荡时间，计算所述待测气体的浓度。