CN114354538A - 激光气体传感装置及气体探测方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种用于原位探测多组分气体的激光气体传感装置，包括波长不同的多个光源、光电探测器和探针；以及多个光学元件，用于将所述多个光源发出的光线合并输入至所述探针，并将所述探针返回的光线输入所述光电探测器。本发明同时提供了一种原位多组分气体探测方法，该方法将波长不同的多束激光进行光路合并，输入至探针；将所述探针末端反射镜反射回的光线输入光电探测器，以使所述光电探测器分析气体组分。上述装置和方法，使用两个或更多用于检测不同气体光源，通过光学元件进行光路合并后输入探针，并通过光电检测器进行检测，可以满足两种以上气体的原位同时测量。

Description

激光气体传感装置及气体探测方法

技术领域

本申请属于气体检测领域，具体涉及一种原位多组分气体探测方法及激光气体传感装置。

背景技术

在如今的电业和工业生产控制过程中，需要在各种工况下对添加和生成的气体进行实时的成分监测，以便及时控制和处理前后工序的气体添加和处理。探测的准确度和时效是衡量工序功效的重要指标。一方面，如果监测准确性不高，则添加和生成的气体处理不准确，会影响工作效率甚至损坏设备；另一方面，测量延迟过高会导致气体漏测，为了保证功效就需要在整个工作流程中添加工序以达到准确添加所需气体和完整去除目标气体的目的。因此，在电业和工业生产控制过程中准确及时的测量气体有非常重要的意义和应用需求。

目前比较成熟的气体探测技术都是采用单组分红外吸收测量方法，在需要测量多种气体的工序中，尤其是对氨气和一氧化氮的测量工序中，需要多套设备加入测试，无法在同一位置同时进行多个气体成分的测量，实时性较差，成本高，准确度差。

发明内容

本公开的目的在于，针对现有技术中的缺陷，提供一种激光气体传感装置及气体探测方法，以实现在原位同时测量多种气体。

本发明第一方面提供了一种用于探测多组分气体的激光气体传感装置，这种装置包括波长不同的至少两个光源、光电探测器和探针；以及

多个光学元件；

其中，通过所述多个光学元件将光路设置成，使得由所述至少两个光源输出的光线经由所述多个光学元件中的一部分合并输入至所述探针，然后所述光线通过所述探针返回并且经由所述光学元件中的另一部分输入所述光电探测器。

优选地，所述多个光学元件包括：反射镜和/或凹面镜和/或翻转镜和/或二向镜。

优选地，所述至少两个光源被配置为输出用于探测不同气体的激光。

优选地，所述至少两个光源包括输出中红外激光的第一激光源和第二激光源。

优选地，所述第一激光源被配置为输出探测氨气的激光，所述第二激光源被配置为输出探测氮氧化合物气体的激光。

优选地，所述第二激光源被配置为输出探测一氧化氮的激光。

优选地，所述探针末端设置有探针反射镜。

优选地，所述多个光学元件具体包括：

第一镜组，用于使所述第一激光源和所述第二激光源输出的光线合并；以及

第二镜组，用于将合并后的光线输入所述探针；以及

第三镜组，用于将探针返回的光线输入所述光电探测器。

优选地，所述第一镜组具体包括：

至少一个反射镜，以及

二向镜；

其中，所述至少一个反射镜用于将所述第一激光源和所述第二激光源输出的光线汇入所述二向镜，以使所述二向镜对光线进行合并。

优选地，所述第一镜组具体包括：

至少一个反射镜，以及

翻转镜；以及

用于驱动翻转镜周期翻转的伺服平台；

其中，所述至少一个反射镜用于将所述第一激光源和所述第二激光源输出的光线汇入所述翻转镜，以使所述翻转镜对光线进行周期性切换。

优选地，所述第三镜组包括凹面反射镜。

优选地，所述多个光学元件中包括至少一个可调节角度的光学元件。

优选地，还包括：

可见光源，用于输出可见光，并且借由所述多个光学元件与光源输出的光路耦合。

优选地，其特征在于，还包括：

外壳；以及

固定基座，设置于所述外壳内部，用于固定所述的至少两个光源、光电探测器及多个镜面；

其中，所述探针设置于所述外壳，并延伸至所述外壳的外部。

优选地，还包括：

窗口，设置于所述外壳，包括用于使光线射出外壳的发射窗口，以及

用于使光线返回外壳的接收窗口；

其中，所述发射窗口和/或接收窗口的镜片与光路不垂直地设置。

本申请第二方面涉及一种原位多组分气体探测方法，该方法将波长不同的多束激光进行光路合并，输入至探针；

将所述探针末端反射镜反射回的光线输入光电探测器，以使所述光电探测器分析气体组分。

优选地，所述多束激光具体包括波长不同的第一激光和第二激光；

其中，所述第一激光用于探测氨气，所述第二激光用于探测氮氧化合物气体。

优选地，所述第一激光的波长为9000nm～12000nm；所述第二激光的波长为4000nm～6000nm

上述技术方案带来的优点和效果至少有：

使用两个或更多用于检测不同气体激光源，通过光学元件进行光路合并后输入探针，并通过光电检测器进行检测，可以满足两种以上气体的原位同时测量；使用可见光光源和翻转基座拟合光路，可在正式测量开始之前验证光路的有效性。

采用中红外光源，灵敏度较现有技术中的近红外激光源更高；

镜面等光学器件可调角度，整个设计可调整性高，便于功能添加和维护；

窗口部件成斜角设计，有效防止光干涉。窗口各镜片跟光路设计成不垂直的关系，这样可以最大程度上防止测量腔体里的背景辐射延光路进入光学盒体，尤其是到凹面反射镜上，对测试造成极大干扰。

本发明技术方案尤其适用于同时对氨气和一氧化氮气体进行测量，可以原位测量，克服了一氧化氮需要抽取，管道有极高的密闭性，抽取测量的难度大的问题；而氨气抽取后需要冷却，容易在冷却时发生吸附，本发明通过原位测量及设备中设置的耐高温窗口片，可以解决测量氨气时存在的上述问题。

附图说明

图1为本申请中气体传感装置的结构图；

图2为窗口部分的局部示意图；

图3为本申请气体传感装置测量阶段光路图；

图4为本申请气体传感装置可见光校准阶段光路图。

图中标注：

1第一光源，2第二光源，3可见光源，4光电探测器，5窗口，61第一二向镜，62第二二向镜，7凹面反射镜；

51发射窗口；52接收窗口。

具体实施方式

将在下文中参照附图更全面地描述本公开，在附图中示出了各实施方式。然而，本公开可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本公开将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本公开的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。

本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。

除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否者不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。

“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。

本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。

检测和测量气态混合物中多种物质的浓度通常使用可调谐二极管激光吸收光谱法（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy），简称TDLAS。基于此方法，当需要检测混合在一起的多种气态物质时，以两种为例，需要使用两套设备，无法在同一位置进行两个气体成分的测量，实时性较差，这会导致成本上升，准确度差。同时，发明人发现在现有TDLAS气体检测装置技术采用的是近红外光源，灵敏度比较低。另外，因为功能的局限性光源和光接收器只以固定方式朝向探针，不易在光路中安插其他模块，不具备可拓展性。

下面将结合附图和示例性实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整的描述。

实施例1

如图1所示本实施例为一种激光气体传感装置，包括波长不同的多个激光源（图中标注1或2）、光电探测器4和探针（图中未示出）；以及多个光学元件，用于将所述多个激光源发出的光线合并输入至所述探针，并将所述探针返回的光线输入所述光电探测器4。并由光电探测器4分析被探测的气体浓度等参数。

对实施例的补充说明有：实施例中所描述的激光源具体是利用激发态粒子在受激辐射作用下发光的电光源。是一种相干光源。实施例中所描述的光电探测器4能够利用光电效应把光信号转变为电信号，以通过电信号对待测气体进行分析。

实施例中所描述镜面，具体为用来改变或者说形成光路的装置，包括但不限于反射镜、凸/凹透镜、折射镜、二向镜、翻转镜等静态或可操纵的元件。激光信号从光源射出，直到被光功率计或光接收器收到，整个过程的传播路径，为上述镜面进行实现。应当理解的是，复杂光路需要考虑光的散射和光的反射对光信号的影响，对光源的伤害，可基于本领域技术人员的现有认知，做相应的保护设计，在实施例中不做赘述。

如图1示出实施例中，为了清晰表达内部元器件及光路，未示出整体的外壳，并且，将所有元器件固定于一个同平面的基座上。应理解，在实际实施过程中，通常会施加封闭外壳，阻止气体进入设备内部，并在外壳上开有装有密封镜片的窗口5，光线从窗口射出设备，并由窗口返回设备，经设备内光路输入至光电探测器。应理解，各元器件的固定方式可不局限于图中的同平面的基座，也可交错、层叠等方式立体布置，也可安装在支架上，固定于外壳等，确定位置。

在优选实施例中，可选用的激光器包括：法珀（Fabry-Perot）激光器、分布反馈式(Distributed Feedback)半导体激光器、分布布喇格反射（Distributed Braggreflector）激光器、垂直腔表面发射（Vertical-cavity surface-emitting）激光器和外腔调谐半导体激光器等。

在优选实施例中，多个激光源被配置为输出用于探测不同气体的激光。可以根据待测气体不同需求更换不同的激光器光源，或对光源进行调制。对上述光源进行调制，可以查询相关现有技术中的资料，根据待测气体的吸收峰值进行选取。

在优选实施例中，激光源输出中红外激光，区别于现有技术中的近红外激光，灵敏度更高。应理解的是，本例中所述的中红外激光具体指波长在2.5μm至25μm的激光，所述近红外激光具体指波长在780nm至2526nm的激光。

在优选实施例中，更进一步地，激光源分别输出9000nm～12000nm，以及4000nm～6000nm波长的激光，适用于探测氨气，和氮氧化合物气体。

在优选实施例中，激光源包括两个，即如图1中示出的第一激光源1和第二激光源2；可以实现同时检测两种气体。激光源数量也可以超过两个，如通过两个二向镜，即如图1中示出的第一二向镜61和第二二向镜62，合并三个光源的光路，但功率损失较两个光源更大，需要光学器件深度定制。

在进一步优选实施例中，第一激光源1被配置为输出探测氨气的激光，所述第二激光源2被配置为输出探测氮氧化合物气体的激光。具体可以为探测一氧化氮的激光，其具体波长等参数，可参考一氧化氮的吸收峰值数据等。

对于上述进一步优选实施例的说明是：目前现有技术中测量氨气和一氧化氮通常使用抽取式红外光测量的方法。一般过程为抽取，冷却，加热，红外测量，回送为基本流程。但氨气在冷却过程中极易发生吸附，一氧化氮需要抽取管道有极高的密闭性，抽取测量的难度大，成本高。且抽取式的时间延迟高，在需要实时调节气体成分的工序中无法使用。上述实施例可以解决该问题，可实现原位对氨气和一氧化氮进行同时检测。

在优选实施例中，所述探针（图中未示出）末端设置有探针反射镜。如图3中光路所示，光线从整个探针穿过，经探针末端的反射镜反射，再次经由整个探针射回，经过窗口处的凹面反射镜反射，射入光电探测器，构成完整光路。本例中的探针与现有技术类似，末端有镜面，并且其中的光线路径可以进入气体。

在优选实施例中，所述多个镜面具体包括：第一镜组，用于使所述第一激光源和所述第二激光源输出的光线合并；以及第二镜组，用于将合并后的光线输入所述探针；以及第三镜组，用于将探针返回的光线输入所述光电探测器。各镜面全部或部分使用可调位置及角度的元件，使整体设备具备可拓展性及易于维修维护的特性。

在优选实施例中，所述第一镜组具体包括：

至少一个反射镜，以及

二向镜；

其中，所述至少一个反射镜用于将第一激光光源和所述第二激光光源输出的光线汇入所述二向镜，以使所述二向镜对光线进行合并。

在优选实施例中，所述第一镜组具体包括：

至少一个反射镜，以及

翻转镜；

还包括用于驱动翻转镜周期翻转的伺服平台；

其中，所述至少一个反射镜用于将第一激光光源和所述第二激光光源输出的光线汇入所述翻转镜，以使所述翻转镜对光线进行周期性切换。

其中，反射镜需具备光学热性能好、散热快的特点，光功率损耗更小，极大的降低激光在多次反射过程中的能量损耗。

对实施例的补充说明是，本申请中的最理想方案是采用二向镜的技术方案，或者说使用半反半透镜，可以根据预设比例，同时使第一激光透过，且使第二激光被反射，使两束不同方向来源的激光耦合为相同光路，同时输送至探针，以实现同时原位测量气体的目的。

在优选实施例中，二向镜选用硒化锌分束镜，在如图1中示出的实验中选用BSW710型号的硒化锌分束镜。

另一种方案，即通过周期性转动的翻转镜来实现，此方案无法使两路激光同时输出探针进行测量，只能使两路激光轮流进入探针，通过翻转镜动作和探测器、分析软件的优化，也能够实现接近二向镜方案的技术效果。

在优选实施例中，所述第三镜组包括凹面反射镜。应当理解的是，凹面反射镜即凹面的抛物面镜。平行光照于其上时，通过其反射而聚在镜面前的焦点上，反射面为凹面，焦点在镜前，当光源在焦点上，所发出的光反射后形成平行光束，也叫凹镜，会聚镜。

在优选实施例中，所述多个镜面中包括一个或多个可调节角度的镜面。这些可调镜面可以安装在可转动、俯仰的支座上，也可安装于滑轨，导轨，支撑臂等可动装置上，使其能够实现角度、位置的调节。

在优选实施例中，还包括：可见光源3，用于输出可见光，并且借由所述多个镜面与激光源输出的光路耦合。实际使用过程中，由于使用的是肉眼不可见的红外激光源，根据如图4所示出的可见光光路图，可以在正式测试之前，开启可见光源3，对光路进行校准。

在优选实施例中，还包括：

外壳；以及固定基座，设置于所述外壳内部，用于固定所述的多个激光光源、光电探测器及多个镜面；其中，所述探针设置于所述外壳，并延伸至所述外壳的外部。通过外壳使本发明整体构成光学盒体，即光学探针发出和接收激光信号的部分，本实施例将其设计成一个密闭式盒体。

应当理解，可见光源通常用于光线识别、单模或多模光纤的故障定位及光路耦合的识别。

在优选实施例中，上述各种元件，其中的部分或全部设置在光学定位板或光学面包板上，其中光学定位板有定位精准的安装孔的水平金属板,用于承载光学器件,保持光路稳定。

在优选实施例中，反射镜设置在翻转基座上，翻转基座(flip mount)用于定位和移除反射镜,实现可控的光路变换。

在优选实施例中，还设置有安装耐高温镜片的窗口5。所述窗口5部分的细节结构由图2示出。窗口镜片具有良好的光学透过性能，并且可以承受高温，窗口部件成斜角设计，有效防止光干涉。

在优选实施例中，如图2所示，窗口包括两个发射窗口51和两个接收窗口52，分别支持两路发射光线和两路接收光线。同时，发射窗口51和两个接收窗口52均不与光路垂直，并且各自向外侧倾斜，这样可以最大程度上防止测量腔体里的背景辐射延光路进入光学盒体，尤其是到凹面反射镜上，对测试造成极大干扰。

在优选实施例中，还设置有防尘罩，遮挡在光学盒体的风口，用于隔绝灰尘，防止光学盒体内部的光学器件被灰尘污染。

实施例2

本申请第二方面实施例涉及一种原位多组分气体探测方法，该方法将波长不同的多束激光进行光路合并，输入至探针；然后将所述探针末端反射镜反射回的光线输入光电探测器，以使所述光电探测器分析气体组分。

在优选实施例中，所述多束激光具体包括波长不同的第一激光和第二激光；

其中，所述第一激光用于探测氨气，所述第二激光用于探测氮氧化合物气体。

在优选实施例中，所述多束激光均为中红外激光。

在优选实施例中，所述第一激光的波长为9000nm～12000nm；所述第二激光的波长为4000nm～6000nm。

实施例3

如图1所示，在固定底座（或光学面包板）上设置有第一激光源1和第二激光源2。还包括可见光光源3和光电探测器4。如下基于设备的各个工作状态对其结构进行说明。

如图4所示，在光路校准的阶段，可见光源3打开，其光路如图中虚线示出，可见光光线经过图中右下方的镜片反射，再经过右上方的镜片及出口处的镜片反射，从窗口（为了简化图中以占位方框代替，具体结构见图2）射出外壳，并通过探针的反射镜反射后返回外壳内，经过镜面反射后进入光电探测器。本阶段中，若设备中选用的是翻转镜，则控制翻转镜使其不起作用。

如图3所示，在气体检测阶段，两个激光源1，2被开启。形成如图中示出的光路，两个光源的激光经由翻转镜/二向镜耦合或交替作用。并借由光路校准的阶段中所用到的镜片形成光路并射出外壳进入探针，其反射光线进入外壳并通过凹面镜进入光电探测器。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (18)

1.一种激光气体传感装置，其特征在于，包括波长不同的至少两个光源、光电探测器和探针；以及

多个光学元件；

其中，通过所述多个光学元件将光路设置成，使得由所述至少两个光源输出的光线经由所述多个光学元件中的一部分合并输入至所述探针，然后所述光线通过所述探针返回并且经由所述光学元件中的另一部分输入所述光电探测器。

2.根据权利要求1所述的激光气体传感装置，其特征在于，所述多个光学元件包括：一个或多个反射镜和/或凹面镜和/或翻转镜和/或二向镜。

3.根据权利要求1所述的激光气体传感装置，其特征在于，所述至少两个光源被配置为输出用于探测不同气体的激光。

4.根据权利要求3所述的激光气体传感装置，其特征在于，所述至少两个光源包括输出中红外激光的第一激光源和第二激光源。

5.根据权利要求4所述的激光气体传感装置，其特征在于，所述第一激光源被配置为输出探测氨气的激光，所述第二激光源被配置为输出探测氮氧化合物气体的激光。

6.根据权利要求5所述的激光气体传感装置，其特征在于，所述第二激光源被配置为输出探测一氧化氮的激光。

7.根据权利要求1所述的激光气体传感装置，其特征在于，所述探针末端设置有探针反射镜。

8.根据权利要求4所述的激光气体传感装置，其特征在于，所述多个光学元件包括：

第一镜组，用于使所述第一激光源和所述第二激光源输出的光线合并；以及

第二镜组，用于将合并后的光线输入所述探针；以及

第三镜组，用于将探针返回的光线输入所述光电探测器。

9.根据权利要求8所述的激光气体传感装置，其特征在于，所述第一镜组包括：

至少一个反射镜，以及

二向镜；

其中，所述至少一个反射镜用于将所述第一激光源和所述第二激光源输出的光线汇入所述二向镜，进而通过所述二向镜对光线进行合并。

10.根据权利要求8所述的激光气体传感装置，其特征在于，所述第一镜组包括：

至少一个反射镜，以及

翻转镜；以及

用于驱动翻转镜周期翻转的伺服平台；

其中，所述至少一个反射镜用于将所述第一激光源和所述第二激光源输出的光线汇入所述翻转镜，进而通过所述翻转镜对来自两个光源的光线进行周期性切换。

11.根据权利要求8所述的激光气体传感装置，其特征在于，所述第三镜组包括凹面反射镜。

12.根据权利要求1所述的激光气体传感装置，其特征在于，所述多个光学元件中包括至少一个可调节角度的光学元件。

13.根据权利要求1所述的激光气体传感装置，其特征在于，还包括：

可见光源，用于输出可见光，并且借由所述多个光学元件中的部分与光源输出的光路耦合。

14.根据权利要求1至13任一项所述的激光气体传感装置，其特征在于，还包括：

外壳；以及

固定基座，设置于所述外壳内部，用于固定所述的至少两个光源、光电探测器及多个光学元件；

其中，所述探针设置于所述外壳，并延伸至所述外壳的外部。

15.根据权利要求14所述的激光气体传感装置，其特征在于，还包括：

窗口，设置于所述外壳，包括用于使光线射出外壳的发射窗口，以及

用于使光线返回外壳内部的接收窗口；

其中，所述发射窗口和/或接收窗口的镜片与光路非垂直地设置。

16.一种原位多组分气体探测方法，其特征在于，包括：

提供激光；

将波长不同的多束激光进行光路合并，输入至探针；

将所述探针末端反射镜反射回的光线输入光电探测器，并通过所述光电探测器分析气体组分。

17.根据权利要求16所述的原位多组分气体探测方法，其特征在于，所述多束激光具体包括波长不同的第一激光和第二激光；

其中，所述第一激光用于探测氨气，所述第二激光用于探测氮氧化合物气体。

18.根据权利要求17所述的原位多组分气体探测方法，其特征在于，所述第一激光的波长为9000nm～12000nm；所述第二激光的波长为4000nm～6000nm 。

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