CN205003077U - 一种中红外吸收式气体浓度探测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种中红外吸收式气体浓度探测装置，椭球面反射镜对红外光进行反射后汇聚成第一红外光束，光圈和斩波器设在椭球面反射镜与第一抛物面反射镜之间；第一抛物面反射镜对束光和调制后的第一红外光束进行反射后形成平行的第二红外光束，红外气体吸收池设在第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜之间；第二抛物面反射镜对红外吸收后的第二红外光束进行反射后汇聚成第三红外光束，红外滤光片设在第二抛物面反射镜与红外探测器之间，红外探测器接收滤波后的第三红外光束；处理模块与斩波器和红外探测器连接。本实用新型中，可以对混合气体中在中红外波段内具有吸收峰的待测气体进行浓度探测，其具有较高的测量精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及气体浓度探测技术领域，具体涉及一种中红外吸收式气体浓度探测装置，适用于对在中红外波段存在吸收峰的气体浓度进行探测。
背景技术
目前，基于红外吸收式的气体浓度探测装置，大多选择近红外波段的红外光对气体浓度进行探测，而很少选择中红外波段的红外光，这是由于中红外光光源产生的光强较低，从而使得光电信号微弱易受干扰。但是，在工业领域使用的某些气体，特别是在航空航天领域使用的含氟灭火剂(例如Halon1301，HFC-125等)，这些气体的特征吸收峰仅存在于中红外波段，因此，使用红外吸收法对这些气体的探测将受到限制。
在基于红外吸收式气体浓度探测装置中，其内部光路一般都采用平面镜和多次反射气室对红外光线进行反射；由于中红外光光源产生的光强较低，如果采用现有的反射方法对中红外光线进行反射，其光强会有所损失，从而只有少部分的中红外光通过待测气体并射入测量探测器中；同时，由于光电信号微弱，直接将测量探测器输出的信号进行放大转化难以将其中的干扰信号滤除，因此降低了测量探测器的测量精度。
实用新型内容
基于背景技术存在的技术问题，本实用新型提出了一种中红外吸收式气体浓度探测装置，用于对混合气体中在中红外波段内具有吸收峰的待测气体进行浓度探测，其具有较高的测量精度。
本实用新型提出的一种中红外吸收式气体浓度探测装置，包括：红外光源、椭球面反射镜、光圈、斩波器、第一抛物面反射镜、红外气体吸收池、第二抛物面反射镜、红外滤光片、红外探测器、外壳、处理模块；
其中，红外光源、椭球面反射镜、光圈、斩波器、第一抛物面反射镜、红外气体吸收池、第二抛物面反射镜、红外滤光片、红外探测器安装在外壳中；
红外光源发射红外光并照射到椭球面反射镜上；椭球面反射镜对红外光进行反射后汇聚成第一红外光束，光圈和斩波器设在椭球面反射镜与第一抛物面反射镜之间分别对第一红外光束进行束光和调制；第一抛物面反射镜对束光和调制后的第一红外光束进行反射后形成平行的第二红外光束，红外气体吸收池设在第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜之间，第二红外光束通过红外气体吸收池中流经的混合气体进行红外吸收；第二抛物面反射镜对红外吸收后的第二红外光束进行反射后汇聚成第三红外光束，红外滤光片设在第二抛物面反射镜与红外探测器之间对第三红外光束进行滤波，红外探测器接收滤波后的第三红外光束；处理模块与斩波器和红外探测器连接。
在具体实施例中，红外光源的发光点位于椭球面反射镜的一个焦点位置；优选地，在椭球面反射镜的椭球内表面镀有金膜。
在具体实施例中，第一红外光束的汇聚点位于第一抛物面反射镜的焦点；优选地，第一红外光束的中心轴与第一抛物面反射镜的光轴重合；优选地，第一抛物面反射镜的离轴角为90°，在其内表面镀有金膜。
在具体实施例中，光圈和斩波器位于第一红外光束的中心轴上；优选地，光圈为光束通过大小可调的可调光圈。
在具体实施例中，第二红外光束的中心轴与第二抛物面反射镜的光轴垂直；优选地，第二抛物面反射镜的离轴角为90°，在其内表面镀有金膜。
在具体实施例中，第二红外光束沿着红外气体吸收池的中心轴通过；优选地，第二红外光束的中心轴与红外气体吸收池的中心轴重合；
优选地，红外气体吸收池包括筒体，在筒体两端分别密封设有红外窗片，在筒体内部设有供混合气体流动的进气支管和出气支管；优选地，筒体、进气支管和出气支管为有机玻璃管；优选地，红外窗片为氟化钡窗片、氟化钙窗片等。
在具体实施例中，第三红外光束的汇聚点位于红外探测器的探测窗口上；优选地，第三红外光束的中心轴与第二抛物面反射镜的光轴重合；优选地，红外探测器的探测窗口与第二抛物面反射镜的光轴垂直；优选地，红外滤光片与红外探测器的探测窗口平行安装，优选地，红外滤光片安装在红外探测器上并位于探测窗口前端。
在具体实施例中，在外壳上设有气体进口、气体出口、光源供电接口、斩波器控制接口、红外探测器控制接口，气体进口与气体出口分别与红外气体吸收池的进气支管和出气支管连接，光源供电接口与红外光源连接，斩波器控制接口与斩波器连接，红外探测器控制接口与红外探测器控制接口连接；
优选地，壳体采用长方体结构，椭球面反射镜、光圈、斩波器、第一抛物面反射镜安装在壳体的第一侧，第一抛物面反射镜、红外气体吸收池、第二抛物面反射镜安装在壳体的第二侧，第二抛物面反射镜、红外滤光片、红外探测器安装在壳体的第三侧，其中在壳体中第一侧和第三侧相对布置。
在本实用新型中，红外光经过椭球面反射镜、第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜三次反射后进入红外探测器中，通过斩波器对红外光进行调制处理并输出调制信号，通过红外探测器进行探测输出探测信号，根据调制信号和探测信号进行运算得到输出电压，再根据输出电压计算得到混合气体中待测气体浓度；在应用过程中，可以对混合气体中在中红外波段内具有吸收峰的待测气体进行浓度探测，其具有测量精度高、灵敏度高、抗干扰能力强的特点。
附图说明
图1为本实用新型实施例提出的一种中红外吸收式气体浓度探测装置的外部结构示意图。
图2为本实用新型实施例提出的一种中红外吸收式气体浓度探测装置的内部结构示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，图1为本实用新型实施例提出的一种中红外吸收式气体浓度探测装置的外部结构示意图，图2为本实用新型实施例提出的一种中红外吸收式气体浓度探测装置的内部结构示意图。
参照图1和图2，本实用新型实施例提出的一种中红外吸收式气体浓度探测装置，包括：红外光源1、椭球面反射镜2、光圈3、斩波器4、第一抛物面反射镜5、红外气体吸收池6、第二抛物面反射镜7、红外滤光片8、红外探测器9、处理模块、外壳10，其中：
红外光源1用于发射红外光并照射到椭球面反射镜2上，红外光源1的发光点位于椭球面反射镜2的一个焦点位置；
椭球面反射镜2用于对红外光进行反射后汇聚成第一红外光束，第一红外光束的汇聚点位于第一抛物面反射镜5的焦点，第一红外光束的中心轴与第一抛物面反射镜5的光轴重合；
光圈3和斩波器4设在椭球面反射镜2与第一抛物面反射镜5之间并位于第一红外光束的中心轴上，第一红外光束先后通过光圈3和斩波器4后照射到第一抛物面反射镜5上，光圈3用于对第一红外光束进行束光以限制通过光束的大小，为了方便调节光束大小光圈3可以采用光束通过大小可调的可调光圈，斩波器4用于对束光后的第一红外光束进行调制处理得到交变光束并输出调制信号；
第一抛物面反射镜5用于对束光和调制后的第一红外光束进行反射后形成平行的第二红外光束，第二红外光束的中心轴与第二抛物面反射镜7的光轴垂直；
红外气体吸收池6设在第一抛物面反射镜5和第二抛物面反射镜7之间，混合气体在红外气体吸收池6中流动，第二红外光束沿着红外气体吸收池6的中心轴通过红外气体吸收池6后照射到第二抛物面反射镜7上，第二红外光束的中心轴与红外气体吸收池6的中心轴重合；在第二红外光束通过红外气体吸收池的过程中，混合气体中的待测气体对第二红外光束中预定波长范围的中红外光进行吸收，例如，中红外光的波长范围在5-25μm之间；
第二抛物面反射镜7用于对红外吸收后的第二红外光束进行反射后汇聚成第三红外光束，第三红外光束的汇聚点位于红外探测器9的探测窗口上，第三红外光束的中心轴与第二抛物面反射镜7的光轴重合；
红外滤光片8设在第二抛物面反射镜7与红外探测器9之间，红外探测器9的探测窗口与第二抛物面反射镜7的光轴垂直，红外滤光片8与红外探测器9的探测窗口平行安装，可以将红外滤光片8地安装在红外探测器9上并位于探测窗口前端；红外滤光片8允许具有预定波长范围的中红外光透过，第三红外光束通过红外滤光片8进行滤波后照射到红外探测器9中，红外探测器9用于对通过红外滤光片8滤波后的第三红外光束进行光电转换处理并输出探测信号；
处理模块与斩波器4和红外探测器9连接，处理模块用于根据调制信号和探测信号进行锁相放大运算得到红外探测器的输出电压It，再根据标定得到的待测气体浓度与输出电压It的对应关系，计算得到混合气体中待测气体浓度；
在计算过程中需要对待测气体浓度与输出电压的对应关系进行标定，当红外光束照射红外气体吸收池的混合气体时，待测气体对红外光束中预定波长范围的中红外光进行吸收，吸收之后该预设波长范围的中红外光光强降低；在具体标定过程中，当待测气体浓度为0时，红外探测器接收到光强为I0，当待测气体浓度为t＞0时，红外探测器接收到光强为It，其中I0，It由红外探测器探测并转化为电压信号，这样I0/It的比值与待测气体浓度c具有一一对应关系。在气体浓度计算过程中，基于I0/It的比值与待测气体浓度c的对应关系，根据红外探测器的输出电压It就可以获得待测气体的浓度。
红外光源1、椭球面反射镜2、光圈3、斩波器4、第一抛物面反射镜5、红外气体吸收池6、第二抛物面反射镜7、红外滤光片8、红外探测器9都安装在外壳10中，在外壳10上设有气体进口11、气体出口12、光源供电接口13、斩波器控制接口14、红外探测器控制接口15，气体进口11与气体出口12分别与红外气体吸收池6的进气支管和出气支管连接，光源供电接口13与红外光源1连接，斩波器控制接口14与斩波器4连接，红外探测器控制接口15与红外探测器控制接口15连接。
在中红外吸收式气体浓度探测装置中，参照图1，根据光线反射原理和结构布置要求，壳体10采用长方体结构，红外光源1设在椭球面反射镜2的一个焦点位置，椭球面反射镜2、光圈3、斩波器4、第一抛物面反射镜5安装在壳体10的第一侧并布置在同一直线方向上，第一抛物面反射镜5、红外气体吸收池6、第二抛物面反射镜7安装在壳体10的第二侧并布置在同一直线方向上，第二抛物面反射镜7、红外滤光片8、红外探测器9安装在壳体10的第三侧并布置在同一直线方向上，其中在壳体10中第一侧和第三侧相对布置。通过上述布置方式在满足光线反射要求的前提下可以充分地利用壳体内部空间，其布置合理，结构紧凑，方便运输。
在本实用新型实施例中，红外光经过椭球面反射镜2、第一抛物面反射镜5、第二抛物面反射镜7三次反射后进入红外探测器中构成了C型光路；通过斩波器对红外光进行调制输出调制信号，通过红外探测器进行探测输出探测信号，根据调制信号和探测信号进行锁相放大运算得到输出电压，进而计算得到混合气体中待测气体浓度；在实际应用过程中，可以对混合气体中在中红外波段内具有吸收峰的待测气体进行浓度探测，例如，对于在中红外波段具有吸收峰的气体(如Halon1301、HFC-125等)可以进行定量的气体浓度测量，其具有测量精度高、灵敏度高、抗干扰能力强的特点。
在本实用新型实施例中，红外光源1发射的红外光立体角为Ω1，经椭球面反射镜1反射后的红外光立体角为Ω2，设置Ω2＜Ω1，可以更加方便限制光束的大小。
在本实用新型实施例中，椭球面反射镜2可采用焦距为76.2mm，长轴为152.4mm的椭球内表面，在椭球内表面镀有金膜。第一抛物面反射镜5和第二抛物面反射镜7的离轴角为90°，在其内表面镀有金膜。在实际应用过程中，采用镀金椭球面反射镜和镀金抛物面反射镜，可以增加红外光的穿过强度，减少光强损失，从而提高了探测能力。
在本实用新型实施例中，红外气体吸收池6包括筒体，筒体的中心轴即为红外气体吸收池6的中轴线，筒体可采用机玻璃管，在筒体两端分别密封设有红外窗片60，两个红外窗片60平行布置并与筒体的中心轴垂直，红外窗片60为氟化钡窗片、氟化钙窗片等，在筒体内部设有供混合气体流动的进气支管和出气支管，进气支管和出气支管可采用有机玻璃管。混合气体在气泵的作用下从气体进口11进入红外气体吸收池6的进气支管中，然后通过出气支管经气体出口12排出。关于红外气体吸收池6的技术细节请参照现有技术，在本申请中不再详细说明。
在本实用新型实施例中，红外滤光片允许透过中红外光的预定波长范围与待测气体吸收中红外光的波长范围相对应，可以根据不同待测气体的中红外吸收波段更换对应波段的红外滤光片，从而将探测装置应用于多种待测气体的定量浓度测量，便于扩展用于测量气体的种类。
在本实用新型实施例中，在计算待测气体浓度的过程中，通过斩波器对红外光进行调制处理输出调制信号，红外探测器对红外光进行转换输出探测信号，通过对探测信号进行滤除直流偏置及零漂、滤除50Hz工频干扰等信号处理之后，再与调制信号进行锁相放大运算，提高了抗干扰能力；锁相放大运算后得到红外探测器的实时输出电压值，经过标定待测气体浓度与输出电压值的对应关系，计算得到红外气体吸收池内混合气体中待测气体的浓度。
在本实用新型实施例中，通过设置外壳将内部光学元件与外界隔离，在外壳上只设有五个接口，避免了外界与光学元件的直接接触，减少外界对探测装置的干扰；在探测装置内部的光路布局呈C型，充分利用探测装置的内部空间，整体结构大小为500mm×325mm×275mm，其体积较小，方便运输携带。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (22)
1.一种中红外吸收式气体浓度探测装置，其特征在于，包括：红外光源(1)、椭球面反射镜(2)、光圈(3)、斩波器(4)、第一抛物面反射镜(5)、红外气体吸收池(6)、第二抛物面反射镜(7)、红外滤光片(8)、红外探测器(9)、外壳(10)、处理模块；
其中，红外光源(1)、椭球面反射镜(2)、光圈(3)、斩波器(4)、第一抛物面反射镜(5)、红外气体吸收池(6)、第二抛物面反射镜(7)、红外滤光片(8)、红外探测器(9)安装在外壳(10)中；
红外光源(1)发射红外光并照射到椭球面反射镜(2)上；椭球面反射镜(2)对红外光进行反射后汇聚成第一红外光束，光圈(3)和斩波器(4)设在椭球面反射镜(2)与第一抛物面反射镜(5)之间分别对第一红外光束进行束光和调制；第一抛物面反射镜(5)对束光和调制后的第一红外光束进行反射后形成平行的第二红外光束，红外气体吸收池(6)设在第一抛物面反射镜(5)和第二抛物面反射镜(7)之间，第二红外光束通过红外气体吸收池(6)中流经的混合气体进行红外吸收；第二抛物面反射镜(7)对红外吸收后的第二红外光束进行反射后汇聚成第三红外光束，红外滤光片(8)设在第二抛物面反射镜(7)与红外探测器(9)之间对第三红外光束进行滤波，红外探测器(9)接收滤波后的第三红外光束；处理模块与斩波器(4)和红外探测器(9)连接。
2.根据权利要求1所述的中红外吸收式气体浓度探测装置，其特征在于，红外光源(1)的发光点位于椭球面反射镜(2)的一个焦点位置。
3.根据权利要求1所述的中红外吸收式气体浓度探测装置，其特征在于，在椭球面反射镜(2)的椭球内表面镀有金膜。
4.根据权利要求1所述的中红外吸收式气体浓度探测装置，其特征在于，第一红外光束的汇聚点位于第一抛物面反射镜(5)的焦点。
5.根据权利要求1所述的中红外吸收式气体浓度探测装置，其特征在于，第一红外光束的中心轴与第一抛物面反射镜(5)的光轴重合。
6.根据权利要求1所述的中红外吸收式气体浓度探测装置，其特征在于，第一抛物面反射镜(5)的离轴角为90°，在其内表面镀有金膜。
7.根据权利要求1所述的中红外吸收式气体浓度探测装置，其特征在于，光圈(3)和斩波器(4)位于第一红外光束的中心轴上。
8.根据权利要求1所述的中红外吸收式气体浓度探测装置，其特征在于，光圈(3)为光束通过大小可调的可调光圈。
9.根据权利要求1所述的中红外吸收式气体浓度探测装置，其特征在于，第二红外光束的中心轴与第二抛物面反射镜(7)的光轴垂直。
10.根据权利要求1所述的中红外吸收式气体浓度探测装置，其特征在于，第二抛物面反射镜(7)的离轴角为90°，在其内表面镀有金膜。
11.根据权利要求1所述的中红外吸收式气体浓度探测装置，其特征在于，第二红外光束沿着红外气体吸收池(6)的中心轴通过。
12.根据权利要求1所述的中红外吸收式气体浓度探测装置，其特征在于，第二红外光束的中心轴与红外气体吸收池(6)的中心轴重合。
13.根据权利要求1所述的中红外吸收式气体浓度探测装置，其特征在于，红外气体吸收池(6)包括筒体，在筒体两端分别密封设有红外窗片(60)，在筒体内部设有供混合气体流动的进气支管和出气支管。
14.根据权利要求13所述的中红外吸收式气体浓度探测装置，其特征在于，筒体、进气支管和出气支管为有机玻璃管。
15.根据权利要求13所述的中红外吸收式气体浓度探测装置，其特征在于，红外窗片(60)为氟化钡窗片或氟化钙窗片。
16.根据权利要求1所述的中红外吸收式气体浓度探测装置，其特征在于，第三红外光束的汇聚点位于红外探测器(9)的探测窗口上。
17.根据权利要求1所述的中红外吸收式气体浓度探测装置，其特征在于，第三红外光束的中心轴与第二抛物面反射镜(7)的光轴重合。
18.根据权利要求1所述的中红外吸收式气体浓度探测装置，其特征在于，红外探测器(9)的探测窗口与第二抛物面反射镜(7)的光轴垂直。
19.根据权利要求1所述的中红外吸收式气体浓度探测装置，其特征在于，红外滤光片(8)与红外探测器(9)的探测窗口平行安装。
20.根据权利要求1所述的中红外吸收式气体浓度探测装置，其特征在于，红外滤光片(8)安装在红外探测器(9)上并位于探测窗口前端。
21.根据权利要求1-20中任一项所述的中红外吸收式气体浓度探测装置，其特征在于，在外壳(10)上设有气体进口(11)、气体出口(12)、光源供电接口(13)、斩波器控制接口(14)、红外探测器控制接口(15)，气体进口(11)与气体出口(12)分别与红外气体吸收池(6)的进气支管和出气支管连接，光源供电接口(13)与红外光源(1)连接，斩波器控制接口(14)与斩波器(4)连接，红外探测器控制接口(15)与红外探测器控制接口(15)连接。
22.根据权利要求21所述的中红外吸收式气体浓度探测装置，其特征在于，壳体(10)采用长方体结构，椭球面反射镜(2)、光圈(3)、斩波器(4)、第一抛物面反射镜(5)安装在壳体(10)的第一侧，第一抛物面反射镜(5)、红外气体吸收池(6)、第二抛物面反射镜(7)安装在壳体(10)的第二侧，第二抛物面反射镜(7)、红外滤光片(8)、红外探测器(9)安装在壳体(10)的第三侧，其中在壳体(10)中第一侧和第三侧相对布置。
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| CN201520672955.1U Active CN205003077U (zh) | 2015-08-31 | 2015-08-31 | 一种中红外吸收式气体浓度探测装置 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109037871A (zh) * | 2018-07-24 | 2018-12-18 | 北京无线电计量测试研究所 | 一种太赫兹波导极化衰减装置 |
| CN109946260A (zh) * | 2019-03-27 | 2019-06-28 | 深圳市智水小荷技术有限公司 | 气体浓度检测装置及方法 |
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2015
- 2015-08-31 CN CN201520672955.1U patent/CN205003077U/zh active Active
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| CN109037871A (zh) * | 2018-07-24 | 2018-12-18 | 北京无线电计量测试研究所 | 一种太赫兹波导极化衰减装置 |
| CN109037871B (zh) * | 2018-07-24 | 2021-08-06 | 北京无线电计量测试研究所 | 一种太赫兹波导极化衰减装置 |
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