CN114527103A - 一种基于双波长的荧光气体检测装置 - Google Patents

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徐洋
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Abstract

本发明涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种基于双波长的荧光气体检测装置，包括激光器一、激光器二、气室和探测器一，所述激光器一输出的激光波长短于待测气体的吸收波长，所述激光器二输出的激光波长长于待测气体的吸收波长，所述激光器一和激光器二产生的激光能够打到气室内的待测气体上，所述探测器一用于探测激光打到气室内待测气体上产生的辐射荧光的功率和激光器一的散射光功率之和，本发明提供了一种结构紧凑且装配要求低的气体检测装置。

Description

一种基于双波长的荧光气体检测装置
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种基于双波长的荧光气体检测装置。
背景技术
基于光学的气体检测技术具有测量范围广、与信息系统兼容而实现在线监测预判，且灵敏度高可靠性高。目前可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)检测是目前气体检测的主流技术方案之一。通过可调谐激光器扫描波长，对分子吸收谱信息进行分析，从而判断气体分子的类别和浓度。该技术具有非接触式、响应快、与信息系统兼容等优势。但是该技术因为需要确保激光波长严格对准气体吸收波长，导致结构复杂，成本整体比较高。
荧光法是另一种有效的气体检测方案。该方案利用探测待测气体辐射的荧光功率来判断气体的浓度。尤其是对激发光波长要求低，并不需要严格控制波长，所以控制系统难度低。但是荧光法装置中需要装配滤光片将因光散射等造成的多余激发光滤掉，从而得到较为准确的荧光功率。因此这类装置需要对滤波器的光谱和激发光波长准确控制，另外增加装配的要求，这样整体制造依旧会复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双波长的荧光气体检测装置以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于双波长的荧光气体检测装置，包括激光器一、激光器二、气室和探测器一，所述激光器一输出的激光波长短于待测气体的吸收波长，所述激光器二输出的激光波长长于待测气体的吸收波长，所述激光器一和激光器二产生的激光能够打到气室内的待测气体上，所述探测器一用于探测激光打到气室内待测气体上产生的辐射荧光的功率和激光器一的散射光功率之和。
进一步的，还包括载体，所述激光器一和激光器二同时贴片在载体上，所述激光器一和激光器二均为半导体激光器，所述激光器一和激光器二交替工作或同时工作。
进一步的，还包括光路框架结构，所述气室开设在该光路框架结构上，所述光路框架结构上还设有光路通道，所述气室与光路通道相互交汇，所述气室侧壁开设有一个窗口作为光阑，所述探测器一安装在光阑外部。
进一步的，还包括探测器二，所述激光器一和激光器二的输出端对准光路通道入口端设置，所述探测器二安装在激光器一和激光器二构成的光源的外侧端。
进一步的，还包括凸透镜一，所述凸透镜一安装在光路通道的入口端。
进一步的，所述光路通道与气室的交汇处安装有温度压强传感器或温度压强传感器和温度控制器。
进一步的，所述光路通道和气室采用刻蚀凹槽的方式制成或采用圆筒状结构，所述光路通道和气室的材料为硅、塑料或除汞以外的金属。
进一步的，所述气室的制造采用光刻结合刻蚀和镀膜的工艺完成或通过模具压制一次成型。
进一步的，激光器一、激光器二、气室、探测器一和探测器二可以贴片在同一个安装载体上从而实现小型化的检测单元。
进一步的，激光器一、激光器二、探测器一和探测器二一起贴片在制作气室的相同基底材料上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用激光器一和激光器二，激光器一输出的激光波长短于待测气体的吸收波长，用作激发光；激光器二输出的激光波长长于待测气体的吸收波长，用作参考光；这样因激发光造成的散射光可以根据参考光形成的散射光功率来确定，所以可以在探测得到的功率中减去激发光的散射光，得到单纯的荧光功率，从而准确采集待测气体的浓度。因为两个激光共用一套驱动电路与检测系统，而避免了传统方案中的滤波器以及相应的装配，所以本发明提出的检测装置整体结构紧凑，装配方便，成本低。
附图说明
图1是本发明激光器一和激光器产生的两个激光波长示意图；
图2是本发明的结构原理图；
图3是本发明激光器一和激光器二交替工作开关状态图；
图4是本发明激光器一稳定电流注入激光器二周期性调制的关系图；
图5是本发明具有凹面镜的原理图；
图6是本发明具有凸面镜的原理图；
图7是本发明激光器一和激光器二同时贴片在载体上的示意图；
图8是本发明激光器一、激光器二和气室装配在同一个安装载体上的示意图；
图9是本发明的电路控制模块图；
图10是本发明的刻蚀凹槽结构视图；
图11是本发明的凹面反射镜的结构视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
参见图1～11所示，一种基于双波长的荧光气体检测装置，包括激光器一、激光器二、气室和探测器一，激光器一输出的激光波长短于待测气体的吸收波长，激光器二输出的激光波长长于待测气体的吸收波长，激光器一和激光器二产生的激光能够打到气室内的待测气体上，探测器一用于探测激光打到气室内待测气体上产生的辐射荧光的功率和激光器一的散射光功率之和。
还包括载体，激光器一和激光器二同时贴片在载体上，激光器一和激光器二均为半导体激光器，激光器一和激光器二交替工作或同时工作。
还包括光路框架结构，气室开设在该光路框架结构上，光路框架结构上还设有光路通道，气室与光路通道相互交汇，气室侧壁开设有一个窗口作为光阑，探测器一安装在光阑外部。
还包括探测器二，激光器一和激光器二的输出端对准光路通道入口端设置，探测器二安装在激光器一和激光器二构成的光源的外侧端。
还包括凸透镜一，凸透镜一安装在光路通道的入口端。
光路通道与气室的交汇处安装有温度压强传感器或温度压强传感器和温度控制器。
光路通道和气室采用刻蚀凹槽的方式制成或采用圆筒状结构，光路通道和气室的材料为硅、塑料或除汞以外的金属。
气室的制造采用光刻结合刻蚀和镀膜的工艺完成或通过模具压制一次成型。
激光器一、激光器二、气室、探测器一和探测器二可以贴片在同一个安装载体上从而实现小型化的检测单元。
激光器一、激光器二、探测器一和探测器二一起贴片在制作气室的相同基底材料上。
本发明中，整个装置采用激光器一和激光器二作为光源，激光器一输出的激光波长短于待测气体的吸收波长，激光器二输出的激光波长长于待测气体的吸收波长，短波长激光作为激发光，长波长激光作为参考光，如图1所示。如图2所示，当待测气体进入气室后，激发光打到气体上，激发态的气体辐射荧光。但是因为激发光本身在传播过程以及气体的流动等原因导致了较多的光散射，所以探测器一探测到的是荧光和激发光的散射光的两者功率之和。如果单纯采用一个激发光作为光源，那么探测器一前面需要加滤波器将激发光的散射光滤掉，得到比较纯净的荧光功率，从而采集气体浓度信息，但是这样增加装配等成本。
本发明中，如果两个波长的激光器工作时间交替，即时分复用，那么我们可以采用探测得到的参考光的光散射功率P2＝Pscat2来得到激发光的光散射功率Pscat1。激发光的光散射功率是参考光的光散射功率的函数，如果线性近似那么激发光入射后探测器一得到的功率可以写成，
P1＝aP2+b+Ppl
Ppl是待测起义的荧光功率。a和b我们可以通过实验测试得到。所以可以得到荧光功率，
Ppl＝P1-aP2-b
两个激光器交替工作，如图3所示，因为有一定时间差，所以可能会带来因为时间不同探测的功率误差。这里给出另一种方案是激发光激光器稳定电流注入，参考光周期性调制。通过探测得到的峰值关系确定两个激光器具体散射光功率等信息。
由此可见，用两个激光器实现荧光检测，其中省略了滤波器，减少装配成本，使得检测装置结构更加紧凑，制造成本下降。
本发明中，激光器发射的光通过凸透镜一汇聚，在汇聚点后面气室的侧壁开一个窗口作为光阑。光阑后面装配探测器一；激光器一和激光器二后面装配探测器二，作为背光探测，实时检测两个激光器的功率变化，如图5所示；该结构在气室后面采用一个凹面镜将激光进一步准直后传播出气室，减小多余的光散射。如图6所示；可以看到，气室尾端装配另一个凸透镜，这样进一步将凸透镜一汇聚的光变换成准直光，并传播出气室。气室可以采用刻蚀槽结构实现，如图10所示，这种结构制作容易，但是因为避免杂散光，需要上面封盖。尤其是对于图5所示的凹面镜结构，也可以采用具有弧度的槽实现；如图8所示。这样气室、凹面镜等结构一次加工实现。当然这里也建议采用比如圆桶结构。透镜因为是圆形的，所以两者装配比较契合。这种气室更加合适图6所示的装置结构。
本发明中，两个激光器可以同时贴片在一个载体上，这样有利于降低材料成本，同时方便装配，如图7所示。贴片后的两个激光器也可以和气室同时装配在一个安装载体上，有利于减小结构，降低成本，如图8所示。
本发明中的电路控制模块，激光发光控制模块由通过控制MCU来驱动压控电流源电路，以实现同时控制两个激光器的加载电流，此方法的特点在于激光器加载波形可通过编程实现，灵活度较高并且可以同时或分别工作，以实现时分复用或同时激光发射，并保证电流输出准确、稳定、无串扰。温度控制器则是用于稳定激光器的工作温度。激光接收部分，TIA放大电路是将光电二极管产生的微弱光电流初步转化为电压信号，由此完成光信号转化为电信号的过程，其特点是高带宽、低噪声。由于初步转化后的电压信号低于ADC的采样精度，所以采用二级放大电路，以实现A/D转换，再经由MCU处理，并分别输出给两个激光器。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于双波长的荧光气体检测装置，其特征在于，包括激光器一、激光器二、气室和探测器一，所述激光器一输出的激光波长短于待测气体的吸收波长，所述激光器二输出的激光波长长于待测气体的吸收波长，所述激光器一和激光器二产生的激光能够打到气室内的待测气体上，所述探测器一用于探测激光打到气室内待测气体上产生的辐射荧光的功率和激光器一的散射光功率之和。
2.根据权利要求1所述的一种基于双波长的荧光气体检测装置，其特征在于，还包括载体，所述激光器一和激光器二同时贴片在载体上，所述激光器一和激光器二均为半导体激光器，所述激光器一和激光器二交替工作或同时工作。
3.根据权利要求1所述的一种基于双波长的荧光气体检测装置，其特征在于，还包括光路框架结构，所述气室开设在该光路框架结构上，所述光路框架结构上还设有光路通道，所述气室与光路通道相互交汇，所述气室侧壁开设有一个窗口作为光阑，所述探测器一安装在光阑外部。
4.根据权利要求1所述的一种基于双波长的荧光气体检测装置，其特征在于，还包括探测器二，所述激光器一和激光器二的输出端对准光路通道入口端设置，所述探测器二安装在激光器一和激光器二构成的光源的外侧端。
5.根据权利要求1所述的一种基于双波长的荧光气体检测装置，其特征在于，还包括凸透镜一，所述凸透镜一安装在光路通道的入口端。
6.根据权利要求1所述的一种基于双波长的荧光气体检测装置，其特征在于，所述光路通道与气室的交汇处安装有温度压强传感器或温度压强传感器和温度控制器。
7.根据权利要求1所述的一种基于双波长的荧光气体检测装置，其特征在于，所述光路通道和气室采用刻蚀凹槽的方式制成或采用圆筒状结构，所述光路通道和气室的材料为硅、塑料或除汞以外的金属。
8.根据权利要求1所述的一种基于双波长的荧光气体检测装置，其特征在于，所述气室的制造采用光刻结合刻蚀和镀膜的工艺完成或通过模具压制一次成型。
9.根据权利要求1所述的一种基于双波长的荧光气体检测装置，其特征在于，激光器一、激光器二、气室、探测器一和探测器二可以贴片在同一个安装载体上从而实现小型化的检测单元。
10.根据权利要求1所述的一种基于双波长的荧光气体检测装置，其特征在于，激光器一、激光器二、探测器一和探测器二一起贴片在制作气室的相同基底材料上。
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