CN201229295Y - 一种气体测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种气体测量装置，它主要用于检测气体参数。本装置激光器、传感器、会聚透镜、光反射器件、支撑装置和分析单元，支撑装置由固定腔和测量通道组成，会聚透镜的一侧设置有激光器和传感器，会聚透镜的另一侧设置有光反射器件，激光器、传感器、会聚透镜设置在固定腔中；会聚透镜的主光轴与测量通道的纵轴之间互相倾斜。本实用新型具有光路设计合理、巧妙，光学噪声较小，部件少，测量精度高，安装方便，运行稳定可靠的优点。

Description

一种气体测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种气体测量装置，它主要用于检测气体参数。

背景技术

半导体激光吸收光谱分析技术可以用于分析气体、液体中化学组分含量的测量，还可以分析气体温度和速度等物理参数，应用越来越广泛。该技术是一种高灵敏度气体分析技术。该技术的原理为，特定频率的半导体激光束穿过被测气体时，被测气体对光束能量的吸收导致光强度衰减，可用Beer-Lambert关系准确表述：

I(v)＝I₀(v)exp[-S(T)Φ(v)PXL]

其中I₀(v)和I(v)分别表示频率为v的激光入射时和经过压力P、浓度X和光程L的气体后的光强。线强S(T)是温度T的函数。线形函数Φ(v)表征吸收谱线的形状，与气体的种类、压力、温度等有关。由Beer-Lambert关系(上述公式)可知，光强度的衰减与被测气体含量成正比，因此，该技术测量气体浓度时通过测量光强度衰减信息，从而获得被测气体的浓度。

实现这种技术的激光气体测量装置一般由光发射单元、光接收单元和信号分析单元组成，光发射单元和接收单元安装在被测气体的两侧。激光气体测量装置具有测量精度高、响应速度快、不受背景气体交叉干扰等优点。但该测量装置的发射单元和接收单元分别在被测气体的两侧，安装、调试的难度大；而且维护不方便；该装置的测量光程有限，取决于具体的现场工况，限制了测量精度；该装置的体积通常也较大，不灵活。

发明内容

本实用新型为了解决上述技术问题，还提供一种结构设计合理，光路设计巧妙，测量精度高，信噪比高，部件少，加工装配简单，安装方便，体积小的气体测量装置。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是一种气体测量装置，包括激光器、传感器、会聚透镜、光反射器件、支撑装置和分析单元，支撑装置由固定腔和测量通道组成，其特点是：会聚透镜的一侧设置有激光器和传感器，会聚透镜的另一侧设置有光反射器件，激光器、传感器、会聚透镜设置在固定腔中；会聚透镜的主光轴与测量通道的纵轴之间互相倾斜。

本实用新型所述的激光器发出的测量光与在其路径上的光学界面的法线之间的夹角不为零。

本实用新型所述的光学界面包括会聚透镜的前后表面、光反射器件的表面、传感器的光敏面。

本实用新型所述的固定腔中设置有副传感器，副传感器设置在会聚透镜反射测量光的反射光路上。

作为优选，会聚透镜的主光轴相对测量通道的纵轴夹角为8°～35°。

在本实用新型中，基本原则是所有光学器件的光学界面的法线与光束行进方向均成一定的夹角，这样可以避免由于激光在其表面反射造成的光学噪音。上述光学界面包括透镜的前后表面，光反射器件的表面，传感器的光敏面等等。本实用新型的一个关键之处在于恰当设置各光学器件相对测量通道纵轴的倾斜角度，以满足上述基本原则。具体实施中，由于会聚透镜的表面为曲面，并且激光有一定的发散角(通常大于10°)等原因，所以反射光线的方向各异，以及还存在多次反射的情况，因此要达到完全避免各个方向上的反射激光到达激光器和传感器，需要十分恰当地设置。

本实用新型具有以下优点和有益效果：

光路为回返式，测量光程增加一倍，测量精度和测量灵敏度高。

激光器和传感器件置于会聚透镜的同一侧，便于激光器、传感器件与分析单元的连接，保持结构紧凑；会聚透镜能有效的隔离被测气体和光学器件，避免测量通道内物质污染激光器、传感器；光学器件采用一体化安装，结构紧凑，提高了装置的可靠性、结构更加稳定，便于装置的安装和维护。而且体积更小，更加灵活。

光学器件采用倾斜设置，合理的设计光路，最大程度避免了反射造成的干涉，降低了光学噪音，提高了探测下限和检测灵敏度；最大程度避免反射激光返回激光器，有效的减少光学噪音，大大提高了测量精度。

采用具有会聚功能的光学器件，如会聚透镜和凹面镜，缩小了光斑，测量响应速度快，而且可以更好的控制光束在光学器件入射点的角度，从而进一步降低光学噪音。光学元器件少，成本低。

采用了副传感器，能够用标定降低漂移的影响，提高了测量的稳定性。还能够实现双光路测量，提高测量的准确性。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的结构示意图；

图2为实施例1的光学器件及光路示意图；

图3为实施例1的双光路的光路示意图；

图4为本实用新型实施例2的结构示意图；

图5为实施例2的光学器件及光路示意图；

图6为本实用新型实施例3的结构示意图；

图7为实施例3的光学器件及光路示意图；

图8为实施例4的光学器件及光路示意图；

图9为实施例5的光学器件及光路示意图。

具体实施方式

以下实施例对本实用新型的结构、方法、功能和应用等情况做了进一步的说明，是本实用新型几种比较好的应用形式，但是本实用新型的范围并不局限在以下的实施例。本实用新型引入了三维坐标轴，其中X轴为垂直于纸面的轴，Y轴为沿纸面竖直的轴，Z轴为沿纸面水平的轴。经度面为X轴与Y轴所在的平面。

实施例1

如图1、图2所示，该气体测量装置包括激光器1、传感器2、平凸透镜3、凹面镜6、支撑装置5和分析单元4。支撑装置5由固定腔11和测量通道12组成，测量通道12的一侧与固定腔11相连，另一侧设置有凹面镜6，激光器1、平凸透镜3和传感器2都安装在固定腔11中，平凸透镜3将激光器1、传感器2与测量通道中的气体隔开。

激光器1和传感器2设置在平凸透镜3的同一侧，平凸透镜3的平面朝向激光器1和传感器2，倾斜安装的激光器1在Y轴方向上的位置低于传感器2。传感器2与分析单元4相连。测量通道12设置在平凸透镜3的另一侧。测量通道12沿Z轴方向，其纵轴与Z轴平行。平凸透镜3的主光轴位于Y-Z平面内，倾斜于经度面。平凸透镜3的主光轴与测量通道12的纵轴之间的夹角为35°。

平凸透镜3与固定腔11的接触面通过O形圈密封，将激光器1和传感器2都气密在固定腔11内，这样的设置可以使平凸透镜3有效地隔离被测气体与激光器1、传感器2，保护这些光学器件，尤其是在被测气体为腐蚀性气体的时候。可以在测量通道12中通被测气体。也可以在其侧壁上开有大面积的通气槽，使被测气体可以自由进入测量通道12。测量通道12的通光孔径为30mm，典型测量光程为1m，因此测量通道12长度约为50cm。

本实用新型的气体测量方法为：

激光器1发射的测量光斜入射到平凸透镜3的光学平面7上。测量光的中轴线与光学平面7的法线之间的夹角为5.5°，测量光的发散角为13°，测量光与其在平凸透镜3入射点的光学界面的法线之间的夹角均为锐角，因此光学平面7所反射回到激光器1的激光能量极低，可以忽略不计。

穿过光学平面7后，测量光斜入射于平凸透镜3的光学曲面8上，测量光的中轴线与其在光学曲面8入射点的光学界面的法线之间的夹角为27°。

平凸透镜3同时具有会聚发散测量光和偏转光束传播方向的作用。测量光穿过平凸透镜3折射后，穿过测量通道12中的被测气体，斜入射到凹面镜6的反射面。

经过凹面镜6的反射，测量光再次穿过测量通道12中的被测气体后斜入射到平凸透镜3的光学曲面8上，同时，凹面镜6对测量光有一定的会聚作用，使测量光能够集中回返到平凸透镜3上。经过光学曲面8，测量光入射到光学平面7，仍然是斜入射。本实施例中，测量光中轴线与光学平面7的法线之间的夹角为25°。

测量光穿过平凸透镜3后入射到传感器2，传感器2也倾斜安装，其光学表面的法线与Z轴之间的夹角为25°，与测量光的中轴线之间的夹角为8°。

传感器2将接收到的被气体吸收后的光信号转换为电信号，即测量信号，并将测量信号传输给分析单元4，经分析后得到被测气体的浓度等参数。

如图3所示，激光器1发射的测量光，入射到平凸透镜3的光学平面7上会有部分反射，该处可以镀光学反射膜，增加反射率，就可以增加一个副传感器14检测反射光强，实现双光路检测。

当实现如图3所示的双光路检测的时候，固定腔11还可以作为参比气体室，在其中密封已知浓度的被测气体作为参比气体。特别例如，当被测气体为氧气，则直接可以让固定腔11内充满空气，用副传感器14接收反射光得到参比信号，将其与传感器2得到的测量信号共同在分析单元4中分析后得到被测气体的氧气浓度。

这个增加的光路还可以为标定光路，副传感器14检测到的信号为标定信号，可以用这个信号来修正装置的漂移。

实施例2

如图4、5所示，本实施例与实施例1的区别是：

(1)、平凸透镜3的凸面朝向激光器1和传感器2，平凸透镜3的主光轴与测量通道12的纵轴之间的夹角为13°。

(2)、激光器1发射的测量光的中轴线与Z轴之间的夹角为11.8°，使测量光斜入射到平凸透镜3的光学曲面8上。测量光的中轴线与其在光学曲面8入射点的法线之间的夹角为21°。本实施例中测量光的发散角为13°，测量光与其在平凸透镜3入射点的光学界面的法线之间的夹角均为锐角，因此光学曲面8所反射回到激光器1的激光能量极低，可以忽略不计。同样，穿过光学曲面8后，测量光斜入射于平凸透镜3的光学平面7上，测量光的中轴线与光学平面7法线之间的夹角为9.5°。

(3)、当测量光被凹面镜6会聚反射后，测量光集中回返到平凸透镜3上。依次穿过光学平面7和光学曲面8，仍然是斜入射。本实施例中，测量光中轴线与光学平面7法线之间的夹角为13°测量光中轴线与其在光学曲面8的入射点法线之间的夹角为33°。穿过平凸透镜3后，测量光入射到传感器2，传感器2也倾斜安装，其光学表面的法线与Z轴之间的夹角为25°，与光束的中轴线之间的夹角为7°。

本实施例的其他部分与实施例1基本相同。

本实施例也可以设置成双光路的形式。

实施例3

如图6、7所示，本实施例与实施例1的区别是：

(1)激光器1在Y轴方向上的位置高于传感器2、平凸透镜3的凸面朝向激光器1和传感器2，平凸透镜3的主光轴与测量通道12的纵轴之间的夹角为8°。

(2)、激光器1发射的测量光的中轴线与Z轴之间的夹角为8.5°，使测量光斜入射到平凸透镜3的光学曲面8上。光束的中轴线与其在光学曲面8的入射点法线之间的夹角为34°，本实施例中测量光的发散角为13°，测量光与其在平凸透镜3入射点的光学界面的法线之间的夹角均为锐角，因此光学曲面8所反射回到激光器1的激光能量极低，可以忽略不计。同样，穿过光学曲面8后，测量光斜入射于平凸透镜3的光学平面7上，测量光的中轴线与光学平面7的法线之间的夹角为5°。

(3)、当测量光被凹面镜6会聚反射后，测量光集中回返到平凸透镜3上。依次穿过光学平面7和光学曲面8，仍然是斜入射。本实施例中，测量光中轴线与光学平面7的法线之间的夹角为9.3°测量光中轴线与其在光学曲面8的入射点的法线之间的夹角为8.5°。穿过平凸透镜3后测量光入射到传感器2，传感器2也倾斜安装，其光学表面的法线与Z轴之间的夹角为25°，与光束的中轴线之间的夹角为18°。

本实施例的其他部分与实施例1基本相同。

本实施例也可以设置双光路的形式。

实施例4

如图8，本实施例与实施例1的区别是：本实施例的会聚透镜采用的是具有会聚功能的厚透镜10。厚透镜10的主光轴与测量通道12的纵轴之间的夹角为27°

本实施例的其他部分与实施例1基本相同。

本实施例也可以设置双光路的形式。

实施例5

如图9，本实施例与实施例1的区别是：本实施例的光反射器件是采用平面镜13，平面镜13是由两块互成角度的平面反射镜组成。平凸透镜3的凸面朝向激光器1和传感器2，平凸透镜3的主光轴与测量通道12的纵轴之间的夹角为10°。

本实施例的其他部分与实施例1基本相同。

本实施例也可以设置双光路的形式。

关于本实用新型的其它说明：1、当被测气体为腐蚀性气体时，由于腐蚀性气体会腐蚀增透膜，所以会聚透镜与被测气体接触的面可以不镀增透膜；2、本实用新型的凹面镜采用的是平凹透镜的凹面内表面镀上高反膜，这样更方便加工和固定。3、在以上实施例中，除了描述的测量光路之外，也会产生少量的杂散光，但是并不会对测量光路造成干扰。

上述实施方式不应理解为对本实用新型保护范围的限制。本实用新型的关键是：激光器和传感器设置在会聚透镜的一侧，光反射器件设置在会聚透镜的另外一侧，会聚透镜相对于测量通道的纵轴为倾斜设置，测量光先经过会聚透镜折射后穿过被测气体后到达光反射器件，再经过光反射器件反射穿过被测气体后再次到达会聚透镜，然后经过会聚透镜会聚至传感器，通过传感器接收到的光信号来计算被测气体的参数。所有光学器件的光学界面与测量光行进方向均成倾斜设置，上述光学界面包括透镜的前后表面，光反射器件的表面，传感器的光敏面等等。这样可以避免由于反射造成的光学噪音。在不脱离本实用新型精神的情况下，对本实用新型做出的任何形式的改变均应落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1、一种气体测量装置，包括激光器、传感器、会聚透镜、光反射器件、支撑装置和分析单元，支撑装置由固定腔和测量通道组成，其特征是：会聚透镜的一侧设置有激光器和传感器，会聚透镜的另一侧设置有光反射器件，激光器、传感器、会聚透镜设置在固定腔中；会聚透镜的主光轴与测量通道的纵轴之间互相倾斜。

2、根据权利要求1所述的气体测量装置，其特征是：所述的激光器发出的测量光与在其路径上的光学界面的法线之间的夹角不为零。

3、根据权利要求2所述的气体测量装置，其特征是：所述的光学界面包括会聚透镜的前后表面、光反射器件的表面、传感器的光敏面。

4、根据权利要求1所述的气体测量装置，其特征是：所述的固定腔中设置有副传感器，副传感器设置在会聚透镜反射测量光的反射光路上。

5、根据权利要求1或2或3或4所述的气体测量装置，其特征是：所述的会聚透镜的主光轴相对测量通道的纵轴夹角为8°～35°。

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