CN206378393U - 一种光纤式粉尘浓度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及粉尘浓度测量技术领域，具体公开了一种光纤式粉尘浓度测量装置，依次包括光源部分、输入光纤、测量部分、输出光纤、信号转换部分以及数据处理部分。测量部分包括分束器以及由第一发射端、第一衰减区、第一接收端、第一连接杆组成的第一测量区和由第二发射端、第二衰减区、第二接收端、第二连接杆组成的第二测量区。激光由分束器分为第一光路与第二光路后分别进入第一测量区与第二测量区进行测量，测量后由输出光纤输送至信号转换部分将光信号转化为电信号，数据处理部分通过接收到的电信号计算出激光衰减系数。本实用新型利用双光路测量，差分运算的方法消除测量误差，提高了测量精度。

Description

一种光纤式粉尘浓度测量装置

技术领域

本实用新型涉及粉尘浓度测量领域，尤其涉及一种光纤式粉尘浓度测量装置。

背景技术

粉尘浓度的测量方法主要包括光学分析法与非光学分析法，非光学分析法由于检测设备响应速度慢、处理复杂，难以对粉尘浓度进行实时监测。而基于光学分析的粉尘浓度测量技术具有探测灵敏度高、选择性强、响应速度快等特点，适合现场实时监测，且成本较低，是以后粉尘浓度测量的理想方法。

现有的手持粉尘浓度测量装置必须要求操作人员在现场进行测量，而在类似于煤矿矿井粉尘浓度高的环境中，操作人员在测量时必须做好防尘措施，否则会损伤呼吸道，影响健康。现有的化学反应式粉尘浓度传感器，需要对空气粉尘进行采集处理，具有测量时延差，无法进行实时测量；电式粉尘浓度测量装置安全性较差，当矿井粉尘浓度过高时，轻微的电火花会引发矿井爆炸的风险。而对于光纤式粉尘浓度传感器，利用光纤进行光信号远距离传播，可以实现远程测量，但是测量仪器位于高粉尘区域，长时间使用后仪器表面或仪器内必定粉尘沉积，影响测量精度。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种光纤式粉尘浓度测量装置，通过光纤将光信号传输至测量区域，测量后再将光信号经光纤传出，并且经过两路光测量进行误差消除，不仅实现了远程测量，还提高了测量精度。

本实用新型提供的一种光纤式粉尘浓度测量装置，包括光源部分、测量部分与信号转换部分，光源部分与测量部分通过输入光纤连接，测量部分与信号转换部分通过输出光纤连接，其中测量部分包括分束器及第一测量区与第二测量区，分束器输入端与输入光纤输出端固定连接，分束器将激光分为第一光路与第二光路，第一光路进入第一测量区，第二光路进入第二测量区；测量部分位于测量现场，测量部分远离光源部分与信号转换部分。

进一步的，光源部分包括激光器与耦合器，其中激光器发射激光并通过耦合器耦合后传输至输入光纤。

进一步的，第一测量区包括第一发射端、第一衰减区、第一接收端、第一连接杆，第二测量区包括第二发射端、第二衰减区、第二接收端、第二连接杆，其中第一发射端与第一接收端由第一连接杆固定连接；第二发射端与第二接收端由第二连接杆固定连接；第一衰减区位于第一发射端与第一接收端之间，第二衰减区位于第二发射端与第二接收端之间，第一衰减区与第二衰减内均为含粉尘的待测气体；第一光路在第一衰减区的光程小于第二光路在第二衰减区的光程。

进一步的，第一发射端包括第一准直器与第一输出镜，第二发射端包括第二准直器与第二输出镜，其中第一准直器与第一输出镜之间的距离与第二准直器与第二输出镜之间的距离相同；第一光路经过第一准直器后通过第一输出镜照射到第一衰减区，第二光路经过第二准直器后通过第二输出镜照射到第二衰减区，位于第一衰减区的第一光路与位于第二衰减区的第二光路平行。

进一步的，第一发射端还包括第一单透镜整形器，第二发射端还包括第二单透镜整形器，其中第一单透镜整形器安装在第一准直器与第一输出镜之间，第一光路经过第一准直器后，再经第一单透镜整形器将激光能量空间分布均匀化后由第一输出镜照射到第一衰减区；第二单透镜整形器安装在第二准直器与第二输出镜之间，第二光路经过第二准直器后，再经第二单透镜整形器将激光能量空间分布均匀化后由第二输出镜照射到第二衰减区。

进一步的，第一接收端包括第一输入镜与第三准直器，第二接收端包括第二输入镜与第四准直器，经过第一衰减区的第一光路照射入第一输入镜后再照射入第三准直器，经过第二衰减区的第二光路照射入第二输入镜后再照射入第四准直器。

进一步的，第一准直器与第二准直器的放置方向相同，第三准直器与第四准直器放置方向相同，第一准直器与第三准直器的放置方向相反，第二准直器与第四准直器的放置方向相反。

进一步的，输出光纤包括第一输出光纤与第二输出光纤，其中第一输出光纤的输入端连接第一测量区的输出端，第二输入光纤的输入端连接第二测量区的输出端，第一输出光纤与第二输出光纤的输出端均连接信号转换部分。

进一步的，信号转换部分包括第一探测器与第二探测器，其中第一探测器与第一输出光纤的输出端连接，第二探测器与第二输出光纤的输出端连接；第一探测器将第一光路的光信号转化为电信号，第二探测器将第二光路的光信号转化为电信号。

进一步的，还包括数据处理部分，数据处理部分与信号转换部分连接，信号转换部分将电信号发送至数据处理部分进行处理。

本实用新型的一种光纤式粉尘浓度测量装置，具有以下有益效果：

1、测量部分为纯光学结构，放置于测量现场非常安全；

2、利用光纤远距离传输光信号，实现远程测量粉尘浓度；

3、双光路测量方法，利用差分运算消除测量误差，提高测量精度；

4、设置准直器将激光进行扩束与缩束，使宽束激光在衰减区的衰减作用更加明显，缩束后的激光便于光纤传输；

5、设置单透镜整形器将激光能量空间分布均匀化，使得对于粉尘浓度的测量在均匀分布的光场下进行，可改善测量空间范围内粉尘浓度的非均匀分布问题对测量结果的不利影响；

6、利用测量区粉尘浓度对于扩束光光强损耗的影响进行测量，测量过程以光速进行，不存在时延问题，可达到实时测量效果。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本实用新型的光纤式粉尘浓度测量装置组成图(一)；

图2为本实用新型的光纤式粉尘浓度测量装置测量部分组成图(一)；

图3为本实用新型的光纤式粉尘浓度测量装置光源部分与测量部分组成图；

图4为本实用新型的光纤式粉尘浓度测量装置组成图(二)；

图5为本实用新型的光纤式粉尘浓度测量装置测量部分组成图(二)；

图6为本实用新型的光纤式粉尘浓度测量装置结构图(一)；

图7为本实用新型的光纤式粉尘浓度测量装置结构图(二)；

图中：1-光源部分、2-输入光纤、3-测量部分、4-输出光纤、5-信号转换部分、6-分束器、7-第一测量区、8-第二测量区、9-第一光路、10-第二光路、11-激光器、12-耦合器、13-第一输出光纤、14-第二输出光纤、15-第一发射端、16-第一接收端、17-第一连接杆、18-第二发射端、19-第二接收端、20-第二连接杆、21-第一准直器、22-第一输出镜、23-第二准直器、24-第二输出镜、25-第三准直器、26-第一输入镜、27-第四准直器、28-第二输入镜、29-第一探测器、30-第二探测器、31-第一单透镜整形器、32-第二单透镜整形器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实用新型第一个实施例的光纤式粉尘浓度测量装置，包括光源部分1、输入光纤2、测量部分3、输出光纤4与信号转换部分5，光源部分1与测量部分3通过输入光纤2连接，测量部分3与信号转换部分5通过输出光纤4连接，连接方式本实施例不做具体限定，优选的，选用法兰连接，同理，本实用新型中各部件之间的连接方式均不做具体限定。

具体的，如图2所示，测量部分3包括分束器6、第一测量区7与第二测量区8，分束器6输入端与输入光纤2输出端固定连接；分束器可将一束光分为两束或者多束，目前有1×N和2×N两种类型，本实施例选用1×2的分束器6，分束器6将激光分为第一光路9与第二光路10，第一光路9进入第一测量区7，第二光路10进入第二测量区8，为减小测量误差，选用分光均匀性较好的分束器6，使第一光路9与第二光路10的光强度更加均等；测量部分3位于测量现场，测量部分3远离光源部分1与信号转换部分5，由于测量部分3与光源部分1及信号转换部分5通过长距离的光纤连接，操作人员可在远离现场的位置操作光源部分1与信号转换部分5，以此来实现了粉尘浓度的远程测量。

具体的如图3所示，光源部分1包括激光器11与耦合器12，激光器11发射激光后进入耦合器12，由于激光器11发射的激光近似为平行光，耦合器12将激光进行耦合聚焦以后传输至输入光纤2，输入光纤2将耦合后的激光传送至位于测量部分3内的分束器6，分束器6将激光进行分束，产生第一光路9与第二光路10。

具体的如图4所示，输出光纤4包括第一输出光纤13与第二输出光纤14，第一输出光纤13的输入端连接第一测量区7的输出端，第二输入光纤2的输入端连接第二测量区8的输出端，第一输出光纤13与第二输出光纤14的输出端均连接信号转换部分5，信号转换部分5将第一输出光纤13与第二输出光纤14输出的光信号转化为电信号。

具体的如图5所示，第一测量区7包括第一发射端15、第一衰减区、第一接收端16、第一连接杆17，第二测量区8包括第二发射端18、第二衰减区、第二接收端19、第二连接杆20；第一发射端15与第一接收端16由第一连接杆17固定连接，第二发射端18与第二接收端19由第二连接杆20固定连接；第一衰减区位于第一发射端15与第一接收端16之间，第二衰减区位于第二发射端18与第二接收端19之间。第一衰减区与第二衰减区内均为含粉尘的待测气体。第一光路9在第一衰减区的光程小于第二光路10在第二衰减区的光程。第一光路9由第一发射端15射出后，照射入第一衰减区，第一光路9的激光经过待测气体的衰减后照射入第一接收端16；第二光路10由第二发射端18射出后，照射入第二衰减区，第二光路10的激光经过待测气体的衰减后照射入第二接收端19；因为本案的目的是测量待测气体的粉尘浓度，所以将第一发射端15与第一接收端16均设置为密封性较强的的光路传输装置，为进一步提高测量精度，将第一发射端15与第二发射端18的结构设置为相同结构，第一接收端16与第二接收端19的结构设置为相同结构，由于第一光路9在第一衰减区的光路小于第二光路10在第二衰减区的光路，所以第一光路9的衰减量小于第二光路10的衰减量。

具体的如图6所示，第一发射端15包括第一准直器21与第一输出镜22，第二发射端18包括第二准直器23与第二输出镜24，第一准直器21与第二准直器23放置方向相同，用于将输入第一测量区7与第二测量区8的激光进行扩束，变成两束宽束光，第一光路9变为第一宽束光通过第一输出镜22照射入第一衰减区，第二光路10变为第二宽束光通过第二输出镜24照射入第二衰减区，位于第一衰减区的第一宽束光与位于第二衰减区的第二宽束光相互平行。第一接收端16包括第一输入镜26与第三准直器25，第二接收端19包括第二输入镜28与第四准直器27，第三准直器25与第四准直器27放置方向相同，但与第一准直器21和第二准直器23的放置方向相反，经过第一衰减区的第一宽束光照射入第一输入镜26后再照射入第三准直器25进行缩束聚焦，经过第二衰减区的第二光路10照射入第二输入镜28后再照射入第四准直器27进行缩束聚焦。第一输入镜26与第三准直器25之间的距离与第二输入镜28与第四准直器27之间的距离相同。第三准直器25的输出端与第一输出光纤13的输入端连接，第四准直器27的输出端与第二输出光纤14的输入端连接。优选的，第一准直器21与第一输出镜22、第三准直器25、第一输入镜26的几何中心在同一条直线上，且与第一光路9在第一测量区7内的传播路径相重合，第二准直器23与第二输出镜24、第四准直器27、第二输入镜28的几何中心在同一直线上，且与第二光路10在第二测量区8内的传播路径相重合，使第一光路9与第二光路10最大限度的通过第一测量区7与第二测量区8，尽可能地减少激光在传输元件中的损耗，保证第一光路9与第二光路10在传输元件中有相同的传播环境，以提高粉尘浓度测量的精度。

测量部分3为纯光学装置，安装在矿井或者易发生事故的测量环境中安全性能较高。信号转换部分5包括第一探测器29与第二探测器30，第一探测器29与第一输出光纤13的输出端固定连接，第二探测器30与第二输出光纤14的输出端固定连接；第一探测器29将第一光路9的光信号转化为电信号，第二探测器30将第二光路10的光信号转化为电信号。

具体的，本实施例的一种光纤式粉尘浓度测量装置还包括数据处理部分，数据处理部分与信号转换部分5连接，信号转换部分5将电信号发送至数据处理部分进行处理。数据处理部分通过信号转换部分5输送的电信号进行计算，最终得出激光衰减系数。

具体的如图7所示，本实用新型的第二个实施例光纤式粉尘浓度测量装置，在第一个实施例的基础上，第一发射端15还包括第一单透镜整形器31，第二发射端18还包括第二单透镜整形器32。由于通过输入光纤2传输至测量部分3的激光是经过耦合器12耦合聚焦后进行传送的，虽然通过第一准直器21与第二准直器23将第一光路9与第二光路10进行扩束，变成第一宽束光与第二宽束光，但是第一宽束光与第二宽束光是高斯光，光截面能量分布不均匀，如果直接照射到第一衰减区进行激光的衰减，则在后期数据分析时出现误差较大，所以将第一单透镜整形器31安装在第一准直器21与第一输出镜22之间，第二单透镜整形器32安装在第二准直器23与第二输出镜24之间，第一宽束光经第一单透镜整形器31将激光能量均匀化以后，再照射到第一衰减区进行激光衰减，同理，第二宽束光经第二单透镜整形器32将激光能量均匀化后，再照射入第二衰减区进行激光衰减。第一单透镜整形器31与第二单透镜整形器32选用相同的非球面镜片，镜片表面的设计根据使用环境而定，本实用新型不做具体限定，只需达到将高斯光转变为平顶光的目的即可。为避免不必要的误差，将第一准直器21和第一单透镜整形器31之间的距离设置成与第二准直器23和第二单透镜整形器32之间的距离相等。本实施例设置第一单透镜整形器31与第二单透镜整形器32将激光能量空间分布均匀化，使第一宽束光与第二宽束光在第一衰减区与第二衰减区内的衰减更加均匀，进而使后期数据处理的结果更加精确。

本实施例通过两路光对待测气体分别进行测量，并根据测量数据计算激光衰减系数，由于衰减系数与待测气体的粉尘浓度有一定的比例关系，便可根据一定的比例关系计算出待测气体的粉尘浓度。本实施例的光纤式粉尘浓度测量装置其测量过程及激光衰减系数的具体算法如下：

激光器11的输出光经过耦合器12耦合后进入输入光纤2，后经由分束器6分成两路光进行传递，第一光路9进入第一准直器21扩束后从第一输出镜22射出，设定从第一输出镜22射出的激光光强为I,第二光路10进入第二准直器23扩束后从第二输出镜24射出，设定从第二输出镜24射出的激光光强为I′,第一宽束光经过第一衰减区衰减后照射入第一输入镜26的光强为I₁，第二宽束光经过第二衰减区衰减后照射入第二输入镜28的光强为I₂，第一准直器21与第三准直器25的距离为l₁,第二准直器23与第四准直器27的距离为l₂,设定衰减系数为α，则由于第一光路9与第二光路10通过分束器6平均分为两束光，且第一准直器21与第二准直器23完全相同，所以I＝I′,故计算得α＝ln(I₂/I₁)/(l₁-l₂)。在距离l₁与l₂为固定值时，通过测量进入第三准直器25与第四准直器27的光强I₁与I₂，便可计算得出待测气体对激光的衰减系数α。由于一定的粉尘浓度对应着一定的激光衰减系数，而在实际应用中，可通过标准试验方法确定出粉尘浓度与激光衰减系数之间的对应关系，在测量中便可根据实验值算出粉尘浓度。

优选的，可选用1×3的分束器6，此时需加设第三测量区与第三探测器，且第三测量区与第一测量区7、第二测量区8的光传播装置结构相同，区别在于第三光路在第三衰减区的光程与第一光路在第一衰减区的光程、第二光路在第二衰减区的光程各不相同，分束器产生的第三光路再经过第三测量区后传输至第三探测器，第三探测器将光信号转化为电信号后发送至数据处理部分，其计算方法依然采用差分计算方法之后再求平均值，能够更有效的提高测量精度。

整个光纤式粉尘浓度测量装置，在实现远程测量与单透镜整形器设置的基础上，运用分束器将一束激光平均分为两束，将两束光分别射入路径长度不等的同一待测环境中进行测量，两束光经衰减后，通过第一输出光纤与第二输出光纤将两束光输出至远离测量区的信号转换部分，信号转换部分将光信号转换为电信号，并将电信号输入至数据处理部分进行计算，最终得出待测气体的粉尘浓度。由于本方案中除第一衰减区与第二衰减区的光程不相等以外，其他测量环境完全相同，所以在后续的差分计算中利用光程差算出激光衰减系数，将所有的误差做差消除，所得的计算值准确度更高。

以上借助具体实施例对本实用新型做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本实用新型的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本实用新型所保护的范围。

Claims (10)

1.一种光纤式粉尘浓度测量装置，其特征在于，包括光源部分、测量部分与信号转换部分，所述光源部分与所述测量部分通过输入光纤连接，所述测量部分与所述信号转换部分通过输出光纤连接，其中：

所述测量部分包括分束器及第一测量区与第二测量区，所述分束器输入端与所述输入光纤输出端固定连接，所述分束器将激光分为第一光路与第二光路，所述第一光路进入所述第一测量区，所述第二光路进入所述第二测量区；

所述测量部分位于测量现场，所述测量部分远离所述光源部分与所述信号转换部分。

2.如权利要求1所述的一种光纤式粉尘浓度测量装置，其特征在于，所述光源部分包括激光器与耦合器，其中：

所述激光器发射激光并通过所述耦合器耦合后传输至所述输入光纤。

3.如权利要求1所述的一种光纤式粉尘浓度测量装置，其特征在于，所述第一测量区包括第一发射端、第一衰减区、第一接收端、第一连接杆，所述第二测量区包括第二发射端、第二衰减区、第二接收端、第二连接杆，其中：

所述第一发射端与所述第一接收端由所述第一连接杆固定连接；所述第二发射端与所述第二接收端由所述第二连接杆固定连接；

所述第一衰减区位于所述第一发射端与所述第一接收端之间，所述第二衰减区位于所述第二发射端与所述第二接收端之间，所述第一衰减区与所述第二衰减区内均为含粉尘的待测气体；

所述第一光路在所述第一衰减区的光程小于所述第二光路在所述第二衰减区的光程。

4.如权利要求3所述的一种光纤式粉尘浓度测量装置，其特征在于，所述第一发射端包括第一准直器与第一输出镜，所述第二发射端包括第二准直器与第二输出镜，其中：

所述第一准直器与所述第一输出镜之间的距离与所述第二准直器与所述第二输出镜之间的距离相同；

所述第一光路经过所述第一准直器准直后通过所述第一输出镜照射到所述第一衰减区，所述第二光路经过所述第二准直器准直后通过所述第二输出镜照射到所述第二衰减区，位于所述第一衰减区的所述第一光路与位于所述第二衰减区的所述第二光路平行。

5.如权利要求4所述的一种光纤式粉尘浓度测量装置，其特征在于，所述第一发射端还包括第一单透镜整形器，所述第二发射端还包括第二单透镜整形器，其中：

所述第一单透镜整形器安装在所述第一准直器与所述第一输出镜之间，所述第一光路经过所述第一准直器，再经所述第一单透镜整形器将激光能量均匀化后由所述第一输出镜照射到所述第一衰减区；

所述第二单透镜整形器安装在所述第二准直器与所述第二输出镜之间，所述第二光路经过所述第二准直器，再经所述第二单透镜整形器将激光能量均匀化后由所述第二输出镜照射到所述第二衰减区。

6.如权利要求5所述的一种光纤式粉尘浓度测量装置，其特征在于，所述第一接收端包括第一输入镜与第三准直器，所述第二接收端包括第二输入镜与第四准直器，其中：

经过所述第一衰减区的所述第一光路照射入所述第一输入镜后再照射入所述第三准直器，经过所述第二衰减区的所述第二光路照射入所述第二输入镜后再照射入所述第四准直器。

7.如权利要求6所述的一种光纤式粉尘浓度测量装置，其特征在于，所述第一准直器与所述第二准直器的放置方向相同，所述第三准直器与所述第四准直器放置方向相同，所述第一准直器与所述第三准直器的放置方向相反，所述第二准直器与所述第四准直器的放置方向相反。

8.如权利要求7所述的一种光纤式粉尘浓度测量装置，其特征在于，所述输出光纤包括第一输出光纤与第二输出光纤，其中：

所述第一输出光纤的输入端连接所述第一测量区的输出端，所述第二输入光纤的输入端连接所述第二测量区的输出端，所述第一输出光纤与所述第二输出光纤的输出端均连接所述信号转换部分。

9.如权利要求8所述的一种光纤式粉尘浓度测量装置，其特征在于，所述信号转换部分包括第一探测器与第二探测器，其中：

所述第一探测器与所述第一输出光纤的输出端连接，所述第二探测器与所述第二输出光纤的输出端连接；

所述第一探测器将所述第一光路的光信号转化为电信号，所述第二探测器将所述第二光路的光信号转化为电信号。

10.如权利要求1至9任一项所述的一种光纤式粉尘浓度测量装置，其特征在于，还包括数据处理部分，其中：

所述数据处理部分与所述信号转换部分连接，所述信号转换部分将电信号发送至所述数据处理部分进行处理。