CN115046962B - 一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法及系统，提出了利用器件和光路结构设计抑制结露对光散射、折射的影响的光学系统；本方法设计的大光斑、曲面镜反射的光路系统对比传统的小光斑、平面镜为主的光学系统抗结露能力强，可应用在易冷凝、结露的环境；本方法设计的自动增益算法，配合设计的光路，可以满足光功率大幅度变化时光电信号转换电压信号能力，提高后端解调能力。

Description

一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法及系统

技术领域

本发明涉及激光气体传感器技术领域，具体涉及一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法及系统。

背景技术

TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，可调谐激光二极管吸收光谱技术)激光气体传感器采用光学镜头组成的气室。气室的作用是将激光器中的激光传输至气室，转变为空间传输的光束，照射到待测气氛中；待测气氛若还有待测气体，气体吸收激光中对应的波长能量；光束经过气室输出至光电探测器上，分析激光光束光强信号，判断吸收曲线强度反演计算气体浓度。

传统气室器件均为光学器件，采用镀增透膜的光学玻璃制成，通过多次角反射镜形式、平面镜形式、曲面反射镜，通过排列组合形式，形成单次、多次反射方式，进而实现各种长度光程、形状气室，满足气体传感测量应用。但光学器件组成的光学测量系统镜面形成水汽结露时，因结露液滴导致设计的光学路径在液滴的透射、折射、散射作用下发生偏离或功率大幅度降低，造成探测器端无法测量，即产生结露后无法测量气体浓度的难题。

发明内容

为此，本发明提供一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法及系统，以解决现有激光气体传感器由于水汽结露现象影响，导致无法测量气体浓度的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提出了一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法，所述方法包括：

在激光器出光光束耦合输出时，调整耦合光学透镜尺寸，减少焦距，增加输出光束直径，以使调节激光器输出光束直径大于或者远大于水滴直径；和/或在激光器光纤耦合输出时，选择输出光束直径大于或者远大于水滴直径的光纤准直器，与激光器光纤耦合输出连接，实现输出光束直径大的目的；

设计曲面反射镜，光源输出的光束经由曲面反射镜反射后被光电探测器探测到。

进一步地，所述反射镜曲率半径为光源到反射镜的距离，设置激光器与探测器的距离在预设阈值范围内，并均设置在反射镜曲率半径的中心点附近。

进一步地，所述方法还包括：

将光电探测器的光电转换电路设计为自动增益控制电路，根据探测到的光强自动增大或减小跨阻电阻阻值以调整放大倍数，达到放大或减小增益的目的。

进一步地，根据探测到的光强自动增大或减小跨阻电阻阻值以调整放大倍数，具体为：

当探测到光强≤第一预设阈值时，增大跨阻电阻阻值；当探测到光强≥第二预设阈值时，减小跨阻电阻阻值。

进一步地，所述方法还包括：

通过程控自动增益芯片，在自动增益控制电路内部切换不同档位的阻值，达到放大、减小增益的目的。

进一步地，所述方法还包括：

对曲面镜反射光路进行仿真，获取有水汽结露和无结露时不同光斑直径下的接收光功率值，同时增加平面镜反射作为对照组，通过结果值比较对设计方法进行验证。

进一步地，所述激光器出光光束直径为1-2mm。

根据本发明实施例的第二方面，提出了一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计系统，所述系统包括：

光学器件设计模块，用于在激光器出光光束耦合输出时，调整耦合光学透镜尺寸，减少焦距，增加输出光束直径，以使调节激光器输出光束直径大于或者远大于水滴直径；和/或在激光器光纤耦合输出时，选择输出光束直径大于或者远大于水滴直径的光纤准直器，与激光器光纤耦合输出连接，实现输出光束直径大的目的；

光路设计模块，用于设计曲面反射镜，光源输出的光束经由曲面反射镜反射后被光电探测器探测到。

进一步地，所述系统还包括：

电路处理模块，用于将光电探测器的光电转换电路设计为自动增益控制电路，根据探测到的光强自动增大或减小跨阻电阻阻值以调整放大倍数，达到放大或减小增益的目的。

本发明具有如下优点：

本发明提出的一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法及系统，提出了利用器件和光路结构设计抑制结露对光散射、折射的影响的光学系统；本方法设计的大光斑、曲面镜反射的光路系统对比传统的小光斑、平面镜为主的光学系统抗结露能力强，可应用在易冷凝、结露的环境；本方法设计的自动增益算法，配合设计的光路，可以满足光功率大幅度变化时光电信号转换电压信号能力，提高后端解调能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例1提供的一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法的示意图；

图2为本发明实施例1提供的一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法中曲面反射镜的光路示意图；

图3为本发明实施例1提供的一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法中有结露时的曲面反射镜的光路示意图；

图4为本发明实施例1提供的一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法中曲面镜反射光路建模示意图；

图5为本发明实施例1提供的一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法中平面镜反射光路建模示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，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。

实施例1

激光气体传感器在实际测量中，在密闭环境中测量，经常出现因为外界温度变化，造成密闭环境的水汽饱和，形成液态冷凝水，例如在城市燃气窨井中、密闭调压箱中。当出现冷凝时，初始光强变化剧烈，冷凝形成后光强基本为零，从气体测量过程中，光强变化剧烈时测量数据变化剧烈，出现“冒大数”情况(实际待测气体浓度为零，但是传感器测量值很大)，当光强基本为零时，出现传感器失效情况(实际存在一定浓度的待测气体，但传感器测量值为零)，上述情况均干扰了正常气体浓度的测量，造成后端应用判断是否报警、是否采取进一步维护、抢险措施带来困扰。

为了应对水汽结露带来的影响激光气体传感器测量的难题，本方法提出了一种光路设计方法，通过大直径光斑光源、曲面反射镜、光电接收端电路自动增益调整方式，构成了抑制结露气体测量方法。通过ZEMAX软件仿真、实际应用取得了较好的抑制结露干扰问题。

如图1所示，本实施例提出了一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法，该方法由光学器件设计、光路设计、电路处理方法组成，具体包括：

S100、在激光器出光光束耦合输出时，调整耦合光学透镜尺寸，减少焦距，增加输出光束直径，以使调节激光器输出光束直径大于或者远大于水滴直径；和/或在激光器光纤耦合输出时，选择输出光束直径大于或者远大于水滴直径的光纤准直器，与激光器光纤耦合输出连接，实现输出光束直径大的目的；

S200、设计曲面反射镜，光源输出的光束经由曲面反射镜反射后被光电探测器探测到；

S300、将光电探测器的光电转换电路设计为自动增益控制电路，根据探测到的光强自动增大或减小跨阻电阻阻值以调整放大倍数，达到放大或减小增益的目的。

光学器件里主要是激光器输出光束直径需要大于甚至远大于水滴直径，经资料查询，冷凝结露形成的水滴直径约0.5mm以内，因此激光器输出光束直径需要大于0.5mm，至少为1mm或2mm直径。若激光器直接输出空间光束，需要在激光器出光光束耦合输出时，调整耦合光学透镜尺寸，减少焦距f，增加输出光束直径。

激光器光束直径下降会降低单位面积能量密度，但若与水滴直径相近，会产生米氏散射，造成光束散射传输方向偏转，无法入射至探测器，造成无法测量。受限于激光器输出光窗面积、探测器面积、气室结构面积，激光器光束直径1-2mm直径为宜。

设计曲面反射镜，反射镜曲率半径为光源到反射镜距离R。激光器与探测器尽量靠近，在反射镜曲率半径的中心点附近。如图2所示。其中1表示光源输出光束或准直器输出光束，2表示光电探测器，3表示曲面镜。

当曲面镜3上出现冷凝液滴4时，如图3所示。水珠拟合为半球形透镜，对反射光束进行折射，造成光束输出偏离光电探测器。

根据曲面镜结露方式，采用ZEMAX软件进行仿真。同时增加对比组，对比组将3从曲面镜替换为传统设计方式的平面镜，其他条件一样。具体拟合参数为：光源输出光束或准直器输出光束1输出光功率为设置为1w，输出光束为高斯光束，光斑直径分别为0.5mm、1mm、2mm。光电探测器光敏面积为2mm*2mm。水滴模型为半径为0.5mm的半球体均匀分布在反射面上。曲面反射镜或平面反射镜面距离光源R为100mm，反射率为95％。与探测器间距d为10mm。

图4为曲面镜反射光路建模示意图；图5为平面镜反射光路建模示意图。

可以看出，正常情况(无水滴冷凝时)，平面镜与曲面镜接收光强一致；有水滴时，曲面镜接收光强均大于平面镜；不同光斑直径时，光束光斑直径0.5mm时，光损失很大，直径1mm、2mm时接收光功率优于0.5mm。

当出现结露时，大光斑、曲面镜光学系统效果优于传统小光斑、平面镜光学系统。

同时，因为冷凝时，光功率对比入射光功率大幅度下降，极端情况下降低至1％以下。因此对于大幅度光强变化情况，在光电探测器的光电转换电路设计为自动增益控制电路。

光电探测器为电流转换电压放大电路，通过跨阻电阻阻值调整放大倍数。当探测到光强≤最大值的10％(当前档位电阻对应的最大值)时，增大跨阻电阻阻值；当探测到光强≥最大值的90％(当前档位电阻对应的最大值)，减小跨阻电阻阻值；通过程控自动增益芯片，在自动增益内部电路切换不同档位的阻值，达到调整放大、减小增益的目的。

进一步地，按照该方法，还可以不同直径d的激光器输出光束选择，曲面镜曲率半径R选择，光源与探测器的间距d选择；自动增益的切换参数10％、90％可根据具体情况进行优化调整。

本实施例提出了一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法，提出了大光斑光束、曲面镜反射的光路系统，可抑制结露影响；设计的自动增益算法，配合设计的光路，可以满足结露时出现的探测器端接收光功率大幅度变化情况，配合不同放大增益的光电信号转换电压信号能力，提高后端解调能力。

实施例2

与上述实施例1相对应的，本实施例提出了一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计系统，所述系统包括：

光学器件设计模块，用于在激光器出光光束耦合输出时，调整耦合光学透镜尺寸，减少焦距，增加输出光束直径，以使调节激光器输出光束直径大于或者远大于水滴直径；和/或在激光器光纤耦合输出时，选择输出光束直径大于或者远大于水滴直径的光纤准直器，与激光器光纤耦合输出连接，实现输出光束直径大的目的。

光路设计模块，用于设计曲面反射镜，光源输出的光束经由曲面反射镜反射后被光电探测器探测到。

进一步地，所述系统还包括：

电路处理模块，用于将光电探测器的光电转换电路设计为自动增益控制电路，根据探测到的光强自动增大或减小跨阻电阻阻值以调整放大倍数，达到放大或减小增益的目的。

本发明实施例提供的一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计系统中各部件所执行的功能均已在上述实施例1中做了详细介绍，因此这里不做过多赘述。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法，其特征在于，所述方法包括：

在激光器出光光束耦合输出时，调整耦合光学透镜尺寸，减少焦距，增加输出光束直径，以使调节激光器输出光束直径大于或者远大于水滴直径；和/或在激光器光纤耦合输出时，选择输出光束直径大于或者远大于水滴直径的光纤准直器，与激光器光纤耦合输出连接，实现输出光束直径大的目的；

设计曲面反射镜，光源输出的光束经由曲面反射镜反射后被光电探测器探测到。

2.根据权利要求1所述的一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法，其特征在于，所述反射镜曲率半径为光源到反射镜的距离，设置激光器与探测器的距离在预设阈值范围内，并均设置在反射镜曲率半径的中心点附近。

3.根据权利要求1所述的一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法，其特征在于，所述方法还包括：

将光电探测器的光电转换电路设计为自动增益控制电路，根据探测到的光强自动增大或减小跨阻电阻阻值以调整放大倍数，达到放大或减小增益的目的。

4.根据权利要求3所述的一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法，其特征在于，根据探测到的光强自动增大或减小跨阻电阻阻值以调整放大倍数，具体为：

当探测到光强≤第一预设阈值时，增大跨阻电阻阻值；当探测到光强≥第二预设阈值时，减小跨阻电阻阻值。

5.根据权利要求4所述的一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过程控自动增益芯片，在自动增益控制电路内部切换不同档位的阻值，达到放大、减小增益的目的。

6.根据权利要求1所述的一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法，其特征在于，所述方法还包括：

对曲面镜反射光路进行仿真，获取有水汽结露和无结露时不同光斑直径下的接收光功率值，同时增加平面镜反射作为对照组，通过结果值比较对设计方法进行验证。

7.根据权利要求1所述的一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法，其特征在于，所述激光器出光光束直径为1-2mm。

8.一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计系统，其特征在于，所述系统包括：

光学器件设计模块，用于在激光器出光光束耦合输出时，调整耦合光学透镜尺寸，减少焦距，增加输出光束直径，以使调节激光器输出光束直径大于或者远大于水滴直径；和/或在激光器光纤耦合输出时，选择输出光束直径大于或者远大于水滴直径的光纤准直器，与激光器光纤耦合输出连接，实现输出光束直径大的目的；

光路设计模块，用于设计曲面反射镜，光源输出的光束经由曲面反射镜反射后被光电探测器探测到。

9.根据权利要求8所述的一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计系统，其特征在于，所述系统还包括：

电路处理模块，用于将光电探测器的光电转换电路设计为自动增益控制电路，根据探测到的光强自动增大或减小跨阻电阻阻值以调整放大倍数，达到放大或减小增益的目的。

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