CN116660164A - 基于光胶方式连接的衰荡腔及气体测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于光胶方式连接的衰荡腔及气体测量系统，通过气室与腔镜的结构设计保证腔镜与气室有较大的光胶面积提高稳定性，并通过光胶效应使得气室与腔镜吸合，减小了由于胶水对光的吸收所造成影响，提高检测精度，缩短生产时间。本发明的衰荡腔稳定且具有在多样的环境中工作的能力，适用性较高，有利于企业生产。
Description
技术领域
本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种基于光胶方式连接的衰荡腔及气体测量系统。
背景技术
传统的气体检测方法根据其工作机理又可分为电化学法、气相色谱法、接触燃烧法等。这些方法不同程度的完成了对有毒有害气体的测量任务，但是它们需要进行采样分析，费时费力，响应速度慢，效率低，难实时地反映相关信息。新型的激光吸收光谱技术被应用于气体检测领域，目前较成熟的有直接吸收光谱技术、波长调制技术、光声光谱技术等，但均因噪声或吸收路径较短，检测精度较低。腔衰荡气体检测技术测量量为时间，对激光强度起伏噪声免疫，激光和待测介质在腔镜中作用，使得其有非常长的吸收路径。这些优势使得腔衰荡气体检测技术检测精度非常高，达到了ppb量级，备受企业欢迎。
现有的腔衰荡气体检测方法(中国专利申请号202123316763.1，一种光腔衰荡光谱光路稳定装置)中激光穿过充有气体的腔镜，在出射端用光电探测器探测出射光强信号。当腔内光强达到设定阈值时则关断激光，探测出射光强信号的衰荡时间，以此来获取气体的浓度信息。腔镜的高反镜(腔镜)为光学玻璃、气室主体为钢或者微晶玻璃。制作腔镜的过程需要在位移平台搭载腔镜腔镜，两腔镜之间放置气室，微调光路，使光束耦合进入由两高反镜组成的腔镜且可以通过气室，在腔镜之后用光电探测器探测信号并由示波器显示。在示波器对信号的监视下，先在后面的凹面反射镜边缘涂抹真空胶，在保证信号不变的情况下通过位移平台使得凹面镜与气室粘合，用AB胶粘合腔镜与高阻尼系数合金板，然后焊接合金板与腔体)。在示波器对信号的监视下等待胶水凝固，在确保高反部分和气室粘合牢固之后在平面高反镜边缘涂抹真空胶，并用位移平台来靠近气室，在确保两面腔镜均粘合牢固之后移除位移平台。
现有技术的腔衰荡气体检测方法存在以下缺陷：
1.稳定性差：腔镜(气室)主体和腔镜是通过胶水粘连，长久使用会让腔镜位置发生偏移，从而影响出射的光强信号，造成测量误差。
2.生产较慢：真空胶粘合腔镜与气室一般需要3-4天，生产时间较长。
3.操作失误率较高：真空胶粘合腔镜与气室时，较小的滑动会造成腔镜粘合失败，并且在粘合过程中需要保证环境因素不变，长时间保持环境因素不变较为困难。
4.测量结果差：胶水对光有吸收作用，影响测量结果。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于光胶方式连接的衰荡腔及气体测量系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种基于光胶方式连接的衰荡腔包括：呈闭合结构的气室主体1以及腔镜，在所述气室主体1的侧面设置有通光孔2，所述腔镜由两个正对的高反镜构成，其中一个高反镜为凹面高反镜，另一个为平面高反镜，凹面高反镜包括凹面高反部分3以及包围凹面高反部分3的第一平面光胶部分4；平面高反镜包括平面高反部分5以及包围平面高反部分5的第二平面光胶部分6，凹面高反部分3和平面高反部分5各自正对一个通光孔2，凹面高反镜第一平面光胶部分4与第二平面光胶部分6均与各自正对的气体主体1的侧面之间呈现光胶效应，从而通过分子间的作用力吸合，使得气室主体1与腔镜吸合连接；
其中，凹面高反镜的凸面以及平面高反部分5朝外一侧镀有增透膜，凹面高反镜的凹面和平面高反部分5朝内一侧镀有增反膜。
有益效果：
本发明提供了一种基于光胶方式连接的衰荡腔及气体测量系统，通过气室与腔镜的结构设计保证腔镜与气室有较大的光胶面积提高稳定性，并通过光胶效应使得气室与腔镜吸合，减小了由于胶水对光的吸收所造成影响，提高检测精度，缩短生产时间。本发明的衰荡腔稳定且具有在多样的环境中工作的能力，适用性较高，有利于企业生产。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明中的气室示意图；
图2为本发明中气室侧视图；
图3为本发明中凹面镜高反部分及胶合部分示意图；
图4为本发明中气室与高反镜腔镜的粘合示意图；
图5为本发明中气室主体与高反镜腔镜的主体侧视图；
图6为平面高反镜的高反部分和胶合部分示意图。
图7为整体胶合示意图。
图8为检测系统示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
呈闭合结构的气室主体1以及腔镜，在所述气室主体1的侧面设置有通光孔2，所述腔镜由两个正对的高反镜构成，其中一个高反镜为凹面高反镜，另一个为平面高反镜，凹面高反镜包括凹面高反部分3以及包围凹面高反部分3的第一光胶平面4；平面高反镜包括平面高反部分5以及包围平面高反部分5的第二平面光胶部分6，凹面高反部分3和平面高反部分5各自正对一个通光孔2，凹面高反镜第一平面光胶部分4与第二平面光胶部分6均与各自正对的气室主体1的侧面之间呈现光胶效应，从而通过分子间的作用力吸合，使得气室主体1与腔镜吸合连接；
其中，凹面高反镜的凸面以及平面高反部分5朝外一侧镀有增透膜，凹面高反镜的凹面和平面高反部分5朝内一侧镀有增反膜。
值得说明的是：本发明图1至图7仅展示了长方体结构的衰荡腔，腔衰荡结构可以为V型、四面镜等等结构，只要采用本发明的光胶效应的吸合连接方式得到的衰荡腔，都属于本发明的保护范围。
其中，第一平面光胶部分4、第二平面光胶部分6、在气室主体1上且与两个光胶平面正对的侧面为光滑平面，通过抛光光滑平面达到光胶所需的滑度实现光胶效应。抛光光滑平面使光滑平面的PV值小于光胶面之间通过分子间的吸合力吸合从而呈现光胶效应，λ为激光波长。
光胶法是依靠分子间的吸引力使两个光学零件的抛光面紧密贴合在一起，分子间的吸合力表示为：
其中，F表示分子间的作用力，K和Λ表示系数，均为正数，r表示分子间的距离；s和t表示随物质而异的常数，通常s＝9～15，t＝4～7。
公式中，右边第一项表示斥力，第二项表示引力，因为s>t，所以
当r＝10-3～10-4μm时，表现出引力，这要求光胶面的相对面误差为：
其中，N≤(1-2)光圈，光圈为被检光学表面的曲率半径相对参考光学表面曲率半径的偏差，Δh为干涉条纹弯曲矢高。
实际操作中，只要光胶面的相对面形误差N≤(1～2)光圈(被检光学表面的曲率半径相对参考光学表面曲率半径的偏差)时，即可进行光胶。式中Δh为干涉条纹弯曲矢高，若干涉条纹为平行等间距的竖直线，则光胶面胶合度好。但是在实际加工中很难达到理想的胶合面，光胶面上的干涉条纹为弯曲的拱形，干涉条纹的拱形高即为弯曲矢高。λ为工作的激光波长。
衰荡腔内的待测气体浓度的公式表示为：
其中，衰荡腔内中未包含待测气体的衰荡时间为τ0，气室主体1内部有待测气体的衰荡时间为τ，S为吸收线强，crel为待测气体的浓度，p为压强，L为气室主体1的腔长，φ0为吸收线中心频率处的函数值。
本发明提供了一种基于光胶方式连接的衰荡腔的制作方法，制作的基于光胶方式连接的衰荡腔，所述制作方法包括：
S1，根据设计需求计算气室主体1的参数，并按照参数制作出气室主体1；
本发明可以根据实际需求计算出气室主体参数，采用微晶玻璃按照所求的参数制造附图1中气室，激光通过的空腔部分也用于存储气体，如附图2所示，在制造腔体时要令通光孔尺寸小于气室主体截面部分，并位于正中心。
S2，在所述气室主体1上打孔使得打出的通光孔2的尺寸小于气室主体1的截面；
S3，根据待测气体得到腔镜的腔镜参数，并利用光学玻璃制作凹面高反部分3和平面高反部分5，使得凹面高反部分3、平面高反部分5的尺寸大于通光孔2但小于设置通光孔2的截面尺寸，得到凹面高反部分3和第一平面胶合部分4组成凹面高反镜，以及平面高反部分5和第二平面胶合部分6组成平面高反镜；
本发明按照所测气体得到腔镜参数，用光学玻璃制作平面镜及其边缘胶合部分和凹面镜及其边缘胶合部分，令凹面镜高反部分和平面镜高反部分尺寸均大于通光孔且两高反镜高反部分和胶合部分的整体结构尺寸小于气室主体截面。平面高反镜的高反部分和胶合部分均为平面，如图6所示。
值得说明的是：打磨气室截面以及高反镜(腔镜)边缘平面部分，使其面形要求PV值小于其中λ为所需的激光波长。PV值是表面不平整度的一个衡量指标，定义为表面最高值与最低值的差值。并检查光胶面(气室主体截面部分、凹面高反镜胶合部分以及平面高反镜胶合部分)是否有过多的毛道子、水迹等疵病。
由所测气体的基频震动态得到对应的激光波长，用该波长对应的高反材料对平面镜高反部分5和凹面镜高反部分3处正反两侧镀膜，在凹面高反镜高反部分凹侧和平面高反镜高反部分任意一侧镀高反膜，凹面高反镜高反部分凸出一侧和平面高反镜高反部分另外一侧镀增透膜，使对应波长反射率达到99.93％及以上。
S4，将平面高反镜和凹面高反镜以特定的距离分开放置在所述气室主体1的两侧，构成谐振腔；
S5，分别打磨抛光设置有通光孔2的截面、第一平面胶合部分4和第二平面胶合部分6，并利用激光波长对应的高反材料在凹面高反部分3的凹面和平面高反部分5的一侧镀高反膜，在凹面高反部分3的凸面和平面高反部分5另外一侧镀增透膜；
S6，将腔镜置于位移平台上，使得腔镜镀高反膜一侧朝内，镀增透膜一侧朝外，将气室主体1与腔镜正对，并由激光器驱动控制激光器令激光通过腔镜与气室主体1，在腔镜后用光电探测器探测光信号并由示波器监视；
S7，粗调位移平台，令腔镜与气室主体1的通光孔2正对并对准，在横截面上微调腔镜，直到示波器上有稳定的基膜信号为止；
S8，对S5抛光打磨后的胶合部分用麻纱擦布、酒精与乙醚混合液擦试，再用绸布与航空汽油将平面高反镜胶合部分擦拭干净，并通过位移平台将第一平面胶合部分4的打磨部分与气室主体1的一面贴合，对贴合面打光，观察贴合面是否有清晰的干涉条纹，当看到有清晰的干涉条纹而无赃物，示波器监视信号不变后，在光胶面边缘位置处轻轻施加一个压力，受压处即可产生局部光胶。等光胶面自然扩大至全面光胶，检查光胶面质量，若无较大的瑕疵，则凹面高反镜胶合完成。
S9，重复上述S6-S8步骤，在气室主体1的另一面粘合平面高反镜。
S10，缓慢移除位移平台确保高反镜不滑动，若示波器仍有稳定基膜信号则表示腔镜粘合完成。
如图8所示，本发明提供了一种基于光胶工艺衰荡腔的气体测量系统包括：匹配透镜、聚焦透镜、激光器、光电探测器、阈值检测电路、激光控制器、控制终端以及图1至图7所示的衰荡腔；
其中，所述衰荡腔置于匹配透镜与聚焦透镜之间；
所述激光控制器控制所述激光器发射激光，以使激光入射至匹配透镜；
所述匹配透镜对激光进行耦合使耦合激光束进入衰荡腔内；
所述衰荡腔反射或透射耦合激光束，使其在腔室内来回反射并部分透射出腔室，从而达到聚焦透镜；
所述聚焦透镜对入射的激光进行汇聚，使其光斑位于光电探测器的探测面；
所述光电探测器探测激光生成探测信号，并发送至阈值检测电路；
所述阈值检测电路判断信号是否达到预设的检测阈值，如果是则向控制终端发送控制信号，由控制终端向激光控制器发送关断激光的关断信号；
其中，检测阈值为根据行业经验预先设定的数值。
激光器控制器根据关断信号关断激光器；
控制终端记录当衰荡腔为空腔时，光电探测器的探测信号变为检测阈值的1/e的衰减时间τ0；以及含待测气体时，光电探测器的探测信号变为检测阈值的1/e的衰减时间τ，并根据衰减时间τ0和衰减时间τ得到待测气体的浓度。
值得说明的是：激光从激光器出来后由一块匹配透镜将激光耦合进入衰荡腔，由于该装置的入射端和出射端粘合了镀膜的高反镜(腔镜)，该装置内会积累光能，但是激光在腔内来回反射时仍会有部分光透射而出。从衰荡腔透射而出的激光被聚焦透镜汇聚，使其光斑大小较小于光电探测器的探测面。光电探测器将探测到的信号发送给阈值检测电路。阈值检测电路设定阈值，当光电探测器检测到的信号达到阈值时，由电脑控制激光控制器关断激光，激光关断后，衰荡腔内的光能减少，记录光电探测器检测到的信号变为检测阈值的1/e所需的时间为τ0。在衰荡腔内冲入待测气体，由上述步骤得到存在吸收待测气体时的衰荡时间τ。由公式来计算得到吸收系数α，c为光速。在得到吸收系数之后，将其代入公α＝ScrelpLφ0，可以反演出吸收介质的浓度信息crel。吸收线强S和吸收线中心频率处的函数值φ0可由HITRAN网站查询相关参数拟合得到。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于光胶方式连接的衰荡腔，其特征在于，包括：呈闭合结构的气室主体(1)以及腔镜，在所述气室主体(1)的侧面设置有通光孔(2)，所述腔镜由两个正对的高反镜构成，其中一个高反镜为凹面高反镜，另一个为平面高反镜，凹面高反镜包括凹面高反部分(3)以及包围凹面高反部分(3)的第一平面光胶部分(4)；平面高反镜包括平面高反部分(5)以及包围平面高反部分(5)的第二平面光胶部分(6)，凹面高反部分(3)和平面高反部分(5)各自正对一个通光孔(2)，凹面高反镜第一平面光胶部分(4)与第二平面光胶部分(6)均与各自正对的气体主体(1)的侧面之间呈现光胶效应，从而通过分子间的作用力吸合，使得气室主体(1)与腔镜吸合连接；
其中，凹面高反镜的凸面以及平面高反部分(5)朝外一侧镀有增透膜，凹面高反镜的凹面和平面高反部分(5)朝内一侧镀有增反膜。
2.根据权利要求1所述的基于光胶方式连接的衰荡腔，其特征在于，所述第一平面光胶部分(4)、第二平面光胶部分(6)、在气室主体(1)上且与两个光胶平面正对的侧面为光滑平面，通过抛光光滑平面达到光胶所需的滑度实现光胶效应。
3.根据权利要求2所述的基于光胶方式连接的衰荡腔，其特征在于，抛光光滑平面使光滑平面的PV值小于光胶面之间通过分子间的吸合力吸合从而呈现光胶效应，λ为激光波长。
4.根据权利要求3所述的基于光胶方式连接的衰荡腔，其特征在于，分子间的吸合力表示为：
其中，F表示分子间的作用力，K和Λ表示系数，均为正数，r表示分子间的距离；s和t表示随物质而异的常数。
5.根据权利要求4所述的基于光胶方式连接的衰荡腔，其特征在于，光胶面的相对面误差为：
其中，N≤(1-2)光圈，光圈为被检光学表面的曲率半径相对参考光学表面曲率半径的偏差，Δh为干涉条纹弯曲矢高。
6.根据权利要求5所述的基于光胶方式连接的衰荡腔，其特征在于，衰荡腔内的待测气体浓度的公式表示为：
其中，衰荡腔内中未包含待测气体的衰荡时间为τ0，气室主体(1)内部有待测气体的衰荡时间为τ，S为吸收线强，crel为待测气体的浓度，p为压强，L为气室主体(1)的腔长，φ0为吸收线中心频率处的函数值。
7.一种基于光胶方式连接的衰荡腔的制作方法，其特征在于，制作如权利要求1至6任一项所述的基于光胶方式连接的衰荡腔，所述制作方法包括：
S1，根据设计需求计算气室主体(1)的主体参数，并按照主体参数制作出气室主体(1)；
S2，在所述气室主体(1)上打孔使得打出的通光孔(2)的尺寸小于气室主体(1)的截面；
S3，根据待测气体得到腔镜的腔镜参数，并利用光学玻璃制作凹面高反部分(3)和平面高反部分(5)，使得凹面高反部分(3)、平面高反部分(5)的尺寸大于通光孔(2)但小于设置通光孔(2)的截面尺寸，得到凹面高反部分(3)和第一平面胶合部分(4)组成凹面高反镜，以及平面高反部分(5)和第二平面胶合部分(6)组成平面高反镜；
S4，将平面高反镜和凹面高反镜以特定的距离分开放置在所述气室主体(1)的两侧，构成谐振腔；
S5，分别打磨抛光设置有通光孔(2)的截面、第一平面胶合部分(4)和第二平面胶合部分(6)，并利用激光波长对应的高反材料在凹面高反部分(3)的凹面和平面高反部分(5)的一侧镀高反膜，在凹面高反部分(3)凸面和平面高反部分(5)另外一侧镀增透膜；
S6，将腔镜置于位移平台上，使得腔镜镀高反膜一侧朝内，增透膜一侧朝外，将气室主体(1)与腔镜正对，并由激光器驱动控制激光器令激光通过腔镜与气室主体(1)，在腔镜后用光电探测器探测光信号并由示波器监视；
S7，粗调位移平台，令腔镜与气室主体(1)的通光孔(2)正对并对准，在横截面上微调腔镜，直到示波器上有稳定的基膜信号为止；
S8，对S5抛光打磨后的胶合部分擦拭干净，并通过位移平台将第一平面胶合部分(4)的打磨部分与气室主体(1)的一面贴合，通过示波器确定光信号无变化后，通过施加力使第一平面胶合部分(4)的打磨部分与气室主体(1)产生胶合效应，使得气室主体(1)一侧与腔镜吸合连接；
S9，重复上述S6-S8步骤，在气室主体(1)的另一面粘合平面高反镜。
S10，缓慢移除位移平台确保高反镜不滑动，若示波器仍有稳定基膜信号则表示腔镜粘合完成。
8.一种基于衰荡腔组成的气体测量系统，其特征在于，包括：匹配透镜、聚焦透镜、与激光器、光电探测器、阈值检测电路、激光控制器、控制终端以及如权利要求1-6任一项所述的衰荡腔；
其中，所述衰荡腔置于匹配透镜与聚焦透镜之间；
所述激光控制器控制所述激光器发射激光，以使激光入射至匹配透镜；
所述匹配透镜对激光进行耦合使耦合激光束进入衰荡腔内；
所述衰荡腔反射或透射耦合激光束，使其在腔室内来回反射并部分透射出腔室，从而达到聚焦透镜；
所述聚焦透镜对入射的激光进行汇聚，使其光斑位于光电探测器的探测面；
所述光电探测器探测激光生成探测信号，并发送至阈值检测电路；
所述阈值检测电路判断信号是否达到预设的检测阈值，如果是则向控制终端发送控制信号，由控制终端向激光控制器发送关断激光的关断信号；
激光器控制器根据关断信号关断激光器；
控制终端记录当衰荡腔为空腔时，光电探测器的探测信号变为检测阈值的1/e的衰减时间τ0；以及含待测气体时，光电探测器的探测信号变为检测阈值的1/e的衰减时间τ，并根据衰减时间τ0和衰减时间τ得到待测气体的浓度。
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