CN204203093U - 一种全反射式长光程co分析仪 - Google Patents

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施奇兵
张传鹏
阚瑞峰
金岭
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阮俊
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Abstract

本实用新型公开了一种全反射式长光程CO分析仪，包括激光器、离轴抛物面镜、探测器和空心角反射镜，所述离轴抛物面镜的中心部分被切除，使从所述激光器中出射的光束通过；所述离轴抛物面镜和空心脚反射镜的相对面分别固接窗片，所述窗片将抛物面镜和空心脚反射镜与空气隔绝，所述窗片为楔形，所述窗片分别与离轴抛物面镜和脚反射镜呈一定角度；所述探测器在所述离轴抛物面镜的焦点处。本结构的实用新型一是光路全部采用反射元件，大大减小光路中的后向反射光，减小光能损耗；二是使用红光调整光路时，可减小红光与红外光波长不同造成的差异；三是阻止灰尘污染激光器、离轴抛物而镜和探测器；四是为了防止产生F-P干涉对吸收光谱产生影响，以及消除窗片两侧反射光产生的干涉对吸收光谱产生影响，两端使用楔形窗片封闭，避免产生干涉。

Description

一种全反射式长光程CO分析仪
技术领域
本实用新型涉及一种分析仪，尤其涉及大气环境检测中CO气体浓度监测技术中的全反射式长光程CO分析仪。
背景技术
光学法对气体监测主要是基于光谱吸收原理，主要方法有非分散红外吸收法、傅里叶红外光谱法、可调谐半导体激光吸收光谱法（TDLAS）等。非分散红外吸收法是利用CO、CH4等气体分子受到红外辐射时，将吸收各自特征波长的红外光，通过测量吸收波长和吸光值即可确定气态物质的浓度。一般结合气体滤波相关技术去除吸收带内的其它共存分子的吸收干扰，但该系统稳定性差，长期漂移大。傅里叶红外光谱技术可以同时测量多种物质的成分和浓度，精度也高，但其价格昂贵，操作复杂。TDLAS技术利用可调谐半导体激光器窄线宽和波长可调谐特性实现对气体分子单根吸收线在线监测，有高选择性、高灵敏度、高精度优点，且随着半导体激光器的商业化，其系统成本也会降低。目前国内的CO监测仪器几乎是从国外进口，主要采用气体滤波相关技术进行测量，该系统维护工作量大，而且由于其采样之后需要一定的预处理过程而使得测量的结果存在误差。
长光程CO检测系统采用TDLAS技术实现对空气中的CO浓度进行实时监测，通过锯齿扫描信号改变激光器注入电流来实现激光器波长调谐，激光经过准直，进入气体介质，再由反射镜和会聚镜反射和收集，最终经过气体介质吸收后的光信号，被探测器转化为电信号，最终反演出气体介质的浓度信息。
CO气体浓度的监测系统，基于Beer-Lambert定律实现对大气中、小区中的CO气体进行实时监测，通过锯齿扫描信号改变激光器注入电流来实现激光器波长扫描，透过气体介质的激光信号被探测器转化为电信号，可获得待测气态污染物红外波段某个特征的吸收光谱，最终反演出气体气态污染物的浓度信息。光强的吸收是依据Beer-Lambert定律，当一束频率为 V 的光束穿过吸收物质后，在其穿过的光径上的光强变化见原理图一。其公式为：
I(v)=I0(v)e-σ(v)cl
式中：I0(v)为入射光强度，
σ(v)为被测气体的吸收横截面，
c为被测气体的浓度，
l为光程，
I(v)为光束穿过一个光程距离为的被测气体介质后的透射光强度。
同时目前长光程CO分析仪的由于其直接处于烟道和空气中，离轴抛物面镜和角反射镜直接接触污染气体，导致离轴抛物面镜和角反射镜被污染，影响测量精度。且对离轴抛物面镜和角反射镜清洗非常不方便。
实用新型内容
本实用新型的目的是解决CO分析仪结构复杂、测量存在误差的问题，提供一种全反射式长光程CO分析仪。
本实用新型采用的技术方案是：一种全反射式长光程的CO分析仪，包括激光器、离轴抛物面镜、探测器和空心角反射镜，所述离轴抛物面镜的中心部分被切除，使从所述激光器中出射的光束通过；所述离轴抛物面镜和空心脚反射镜的相对面分别固接窗片，所述窗片将抛物面镜和空心脚反射镜与空气隔绝，所述窗片为楔形，所述窗片分别与离轴抛物面镜和脚反射镜呈一定角度；所述探测器在所述离轴抛物面镜的焦点处。
作为本实用新型的进一步改进，所述的激光器、离轴抛物面反射镜、窗片、探测器均设置在同一封闭空间，并且均放置在二维调节架上，实现俯仰和水平偏摆的调节，便于与所述空心角反射镜的对准。
作为本实用新型的进一步改进，所述空心角反射镜和窗片与离轴抛物面镜和窗片分别设置在一封闭空间。
作为本实用新型的更进一步改进，所述的离轴抛物面反射镜和空心角反射镜表面镀增透膜。
本实用新型采用的有益效果是：本结构的实用新型一是光路全部采用反射元件，大大减小光路中的后向反射光，减小光能损耗；二是使用红光调整光路时，可减小红光与红外光波长不同造成的差异；三是阻止灰尘污染激光器、离轴抛物而镜和探测器；四是为了防止产生F-P干涉对吸收光谱产生影响，以及消除窗片两侧反射光产生的干涉对吸收光谱产生影响，两端使用楔形窗片封闭，避免产生干涉。
附图说明
图1为光强吸收原理图。
图2为本实用新型示意图。
图3为楔形窗片的光路示意图。
图中所示：1 激光器，2离轴抛物面镜，3探测器，4 窗片，5 空心角反射镜。
具体实施方式
下面结合图2和图3，对本实用新型做进一步的说明。
如图所示，一种全反射式长光程的CO分析仪，包括激光器1、离轴抛物面镜2、探测器3和空心角反射镜5，所述离轴抛物面镜2的中心部分被切除，使从所述激光器1中出射的光束通过；所述离轴抛物面镜2和空心脚反射镜5的相对面分别固接窗片4，所述窗片4将抛物面镜2和空心脚反射镜5与空气隔绝，所述窗片4为楔形，所述窗片4分别与离轴抛物面镜2和空心脚反射镜5呈一定角度；所述探测器3在所述离轴抛物面镜2的焦点处。
激光器1中的光发射到环境中，经另一端的空心角反射镜5反射回来，通过离轴抛物面反射镜4聚焦至探测器3，全反射式结构消除了光路中的后向反射光，避免了光路中的回波对光源的干扰和损害，增加了光能利用率。
窗片4是为了阻止烟道中或空气中污染气体直接接触到离轴抛物面镜2和空心角反射镜5而不便清洗，但增加窗片也会产生窗片反射光的干涉和F-P干涉。为此，在激光源端和探测器端各加装了一个楔形窗片并且不垂直于光路的方式进行安装，一方面是阻止灰尘污染激光器、离轴抛物而镜和探测器，另一方面是为了防止产生F-P干涉对吸收光谱产生影响，以及消除楔形窗片两侧反射光产生的干涉对吸收光谱产生影响。
根据光程L的距离分别设计离轴抛物面镜2和空心角反射镜5的大小，确定窗片的楔形角度和安装角度，使窗片上的反射光不反射到离轴抛物面镜2和空心角反射镜5上。
平行光束A0入射到楔形窗片4上，大部分光束经楔形窗片4折射后出射，还有部分光束经楔形窗片4的前表面和后表面反射；光束A1为光束A0经楔形窗片A的前表面反射形成，光束A2为光束A0经楔形窗片4的后表面反射后产生，光束A3为光束A2经过楔形窗片A的前表面反射形成。楔形窗片4使这些反射光沿与光轴一定方向角度出射，避免了光路中的后向反射和干涉。而经过楔形窗片折射后的光束A能量大小与楔形窗片角度、入射光束等有关，具体数值应根据激光器的出射功率、光路损耗和探测器的探测范围决定。
所述空心角反射镜5和窗片4与离轴抛物面镜2和窗片4分别设置在一封闭空间。其中，激光器1、离轴抛物面镜2、探测器3和一片窗片4通过连接件和固定件集成在一起；空心角反射镜5和另一片窗片4通过连接件和固定件集成一起，以构成一个完整的全反射式长光程CO分析仪。
所述的激光器1、离轴抛物面反射镜2、窗片4、探测器3均设置在同一封闭空间，并且均放置在二维调节架上，实现俯仰和水平偏摆的调节，便于与所述空心角反射镜5的对准。
所述的离轴抛物面反射镜2和空心角反射镜5表面镀增透膜。由于CO气体检测中使用的半导体激光器没有光隔离器，光路中各种原因产生的后向传输光将进入激光器中，引起信号源的剧烈波动，反射表面镀增透膜后反射率达98%以上，极大的减小光路中的后向反射光。
本结构的实用新型一是光路全部采用反射元件，大大减小光路中的后向反射光，减小光能损耗；二是使用红光调整光路时，可减小红光与红外光波长不同造成的差异；三是阻止灰尘污染激光器、离轴抛物而镜和探测器；四是为了防止产生F-P干涉对吸收光谱产生影响，以及消除窗片两侧反射光产生的干涉对吸收光谱产生影响，两端使用楔形窗片封闭，避免产生干涉。
本领域技术人员应当知晓，本实用新型的保护方案不仅限于上述的实施例，还可以在上述实施例的基础上进行各种排列组合与变换，在不违背本实用新型精神的前提下，对本实用新型进行的各种变换均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种全反射式长光程CO分析仪，包括激光器（1）、离轴抛物面镜（2）、探测器（3）和空心角反射镜（5），其特征是所述离轴抛物面镜（2）的中心部分被切除，使从所述激光器（1）中出射的光束通过；所述离轴抛物面镜（2）和空心脚反射镜（5）的相对面分别固接窗片（4），所述窗片（4）将抛物面镜（2）和空心脚反射镜（5）与空气隔绝，所述窗片（4）为楔形，所述窗片（4）分别与离轴抛物面镜（2）和脚反射镜（5）呈一定角度；所述探测器（3）在所述离轴抛物面镜（2）的焦点处。
2.根据权利要求1所述的一种全反射式长光程CO分析仪，其特征是所述的激光器（1）、离轴抛物面反射镜（2）、窗片（4）、探测器（3）均设置在同一封闭空间，并且均放置在二维调节架上，实现俯仰和水平偏摆的调节，便于与所述空心角反射镜（5）的对准。
3.根据权利要求1或2所述的一种全反射式长光程CO分析仪，其特征是所述空心角反射镜（5）和窗片（4）与离轴抛物面镜（2）和窗片（4）分别设置在一封闭空间。
4.根据权利要求1或2所述的一种全反射式长光程CO分析仪，其特征是所述的离轴抛物面反射镜（2）和空心角反射镜（5）表面镀增透膜。
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