CN211043130U - 氧气浓度检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种氧气浓度检测装置，包括：光源组件，所述光源组件具有：第一光谱范围，所述第一光谱范围设置为氧气的吸收峰处；第二光谱范围，所述第二光谱范围设置于所述第一光谱范围相邻设置，所述第二光谱范围设置于所述第一光谱范围一侧，所述第二光谱范围设置为氧气没有吸收的光谱位置；气室，所述气室位于所述光源组件的光轴上；探测器，所述探测器位于所述光源组件的光轴上，所述探测器沿所述光源的光线传播方向设置于所述气室的后侧。本实用新型提供了一种氧气浓度检测装置与方法，避免了现有技术中检测气室与标准气室长度差异问题，提高了氧气浓度的检测精度。

Description

氧气浓度检测装置

技术领域

本实用新型属于气体浓度探测技术领域，尤其涉及一种氧气浓度检测装置。

背景技术

含氧量是烟气分析的重要参数之一，氧气浓度检测装置用来检测烟气中氧气的含量。其中基于吸收光谱技术的氧气浓度检测装置，主要是利用氧气在特定波段的特征吸收强度与浓度之间的固定关系来实现氧气浓度的测量。

现有的基于光谱吸收技术的氧气浓度检测装置通常包括光源、准直透镜、检测气室、充满标准气体的标准气室、会聚透镜及探测器。检测时，首先将待测气体充入测量气室中；光源发出的光经准直透镜后分别进入测量气室和标准气室，然后经会聚透镜聚焦在探测器上，探测器对所接收到的光的强度进行测量，得到测量值和标准值；数据处理时，通过标准值对测量值进行修正，得到最终的测量结果。

然而，现有的氧气浓度检测装置的检测气室和标准气室的长度存在差异，导致光源通过测试气体和标准气体的光程不一致，在使用此种情况下测得的标准值对测量值进行修正时，会引入系统误差，从而影响氧气浓度的检测精度。

实用新型内容

针对现有的氧气浓度检测装置中检测气室与标准气室长度不一致从而降低氧气浓度的检测精度的技术问题，本实用新型提供了一种氧气浓度检测装置与方法，避免了现有技术中检测气室与标准气室长度差异问题，提高了氧气浓度的检测精度。为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种氧气浓度检测装置，包括：

光源组件，所述光源组件具有：

第一光谱范围，所述第一光谱范围设置为氧气的吸收峰处；

第二光谱范围，所述第二光谱范围与所述第一光谱范围相邻设置，所述第二光谱范围设置于所述第一光谱范围一侧，所述第二光谱范围设置为氧气没有吸收的光谱位置；

气室，所述气室位于所述光源组件的光轴上；

探测器，所述探测器位于所述光源组件的光轴上，所述探测器沿所述光源的光线传播方向设置于所述气室的后侧；

所述光源发出的所述第一光谱范围的光穿过所述气室，被所述探测器接收，形成测试通道；所述光源发出的所述第二光谱范围的光穿过所述气室，被所述探测器接收，形成第一参考通道。

进一步，所述光源组件还具有：

第三光谱范围，所述第三光谱范围设置于所述第一光谱范围另一侧，所述第三光谱范围设置为氧气没有吸收的光谱位置；

所述光源发出的所述第三光谱范围的光穿过所述气室，被所述探测器接收，形成第二参考通道。

进一步，所述光源组件包括：

第一光源，所述第一光源发出所述第一光谱范围的光；

第二光源，所述第二光源发出所述第二光谱范围的光；

半反半透镜，所述半反半透镜位于所述第一光源的光轴上，所述半反半透镜设置于所述气室的前侧，所述半反半透镜与所述第一光源的光轴呈45°设置，所述第二光源设置于所述半反半透镜的一侧，所述第二光源发出的光经所述半反半透镜反射后与所述第一光源的光路重合。

进一步，所述光源组件还包括第三光源，所述第三光源发出所述第三光谱范围的光，所述第三光源位于所述半反半透镜的另一侧，所述第三光源的发出的光经所述半反半透镜反射后与所述第一光源的光路和/或所述第二光源的光路相重合。

进一步，所述第一光谱范围的中心波长为765nm，所述第一光谱范围的半波宽小于等于10nm。

进一步，所述第二光谱范围的中心波长为750nm，所述第二光谱范围的半波宽小于等于10nm。

进一步，所述第三光谱范围的中心波长为780nm，所述第三光谱范围的半波宽小于等于10nm。

进一步，所述光源组件为宽光谱光源，所述宽光谱光源光谱范围覆盖所述第一光谱范围、所述第二光谱范围和所述第三光谱范围。

进一步，还包括：

第一滤光片，所述第一滤光片的通过光谱范围为第一光谱范围；

第二滤光片，所述第二滤光片的通过光谱范围为第二光谱范围；

第三滤光片，所述第三滤光片的通过光谱范围为第三光谱范围；

所述第一滤光片、所述第二滤光片和所述第三滤光片设置于所述宽光谱光源的光路上，所述第一滤光片、所述第二滤光片和所述第三滤光片设置于所述探测器的前侧。

进一步，还包括：

准直透镜，所述准直透镜设置于所述光源组件的光路上，所述准直透镜位于所述气室的前侧；

聚焦透镜，所述聚焦透镜设置于所述光源组件的光路上，所述聚焦透镜位于所述气室的后侧。

与现有技术相比，本实用新型至少存在以下有益效果：

1.本实用新型所提供的氧气浓度检测装置，光源组件设置有第一光谱范围和第二光谱范围，第一光谱范围设置于氧气的吸收峰处，第二光谱范围设置于氧气没有吸收的光谱位置，第二光谱范围位于第一光谱范围一侧。光源发出的第一光谱范围的光穿过气室，被探测器接收，形成测试通道；光源发出的第二光谱范围的光穿过所述气室，被所述探测器接收，形成第一参考通道。测试通道和第一参考通道共用相同的气室和探测器，也就是说测试通道与第一参考通道的光路相互重合，消除了现有的氧气浓度检测装置中检测气室与标准气室不同而产生的系统误差，提高了氧气浓度的检测精度。

2.本实用新型所提供的氧气浓度检测装置，光源组件还设置有第三光谱范围，第三光谱范围设置于氧气没有吸收的光谱位置，第三光谱范围位于第一光谱范围的另一侧。光源发出的光穿过气室，被探测器接收，形成第二参考通道。第二参考通道同测试通道和第一参考通道共用相同的气室和探测器，也就是说测试通道与第一参考通道及第二参考通道的光路相互重合，进一步消除了现有的氧气浓度检测装置中检测气室与标准气室不同而产生的系统误差，进一步提高了氧气浓度的检测精度。

附图说明

图1为近红外光谱段氧气的特征吸收光谱图；

图2为第一实施例所提供的氧气浓度检测装置的整体结构示意图；

图3为第三实施例所提供的氧气浓度检测装置的整体结构示意图；

图4为第四实施例所提供的氧气浓度检测装置的整体结构示意图；

图5为第五实施例所提供的氧气浓度检测装置的整体结构示意图。

对附图标记进行具体说明：

1、光源组件；11、第一光源；12、第二光源；2、半反半透镜；3、准直透镜；4、气室；41、进气口；42、出气口；43、入光窗口；44、出光窗口； 5、聚焦透镜；6、探测器；71、第一滤光片；72、第二滤光片；73、第三滤光片。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型具体实施例中的技术方案进行详细、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型总的技术方案的部分具体实施方式，而非全部的实施方式。基于本实用新型的总的构思，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都落于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

术语“第一”、“第二”、“第三”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”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

针对现有的氧气浓度检测装置中检测气室与标准气室长度不一致从而降低氧气浓度的检测精度的技术问题，本实用新型提供了一种氧气浓度检测装置与方法，避免了现有技术中检测气室与标准气室长度差异问题，提高了氧气浓度的检测精度。本实用新型利用氧气在近红外光谱段范围内的特征吸收来进行氧气浓度的检测。氧气在近红外光谱段的特征吸收光谱图如附图1所示。下面结合具体实施例对本实用新型的技术方案作具体说明。

第一实施例

参考附图1，第一实施例提供一种氧气浓度检测装置，包括光源组件1、半反半透镜2、准直透镜3、气室4、聚焦透镜5和探测器6。光源组件1包括第一光源11、第二光源12和半反半透镜2。第一光源11发出第一光谱范围的光，第一光谱范围设置为近红外波段氧气的吸收峰处。为了提高氧气浓度检测的准确性，第一光谱范围优选为中心波长为765nm，第一光谱范围的半波宽小于等于10nm。半反半透镜2设置于第一光源11的光轴上，半反半透镜2所在平面与第一光源11的光轴呈45°夹角。半反半透镜2背离第一光源11的一面设置有半反半透面，第一光源11发出的第一光谱范围的光透过半反半透镜2照射至准直透镜3上。第二光源12发出第二光谱范围的光，第二光谱范围设置为与第一光谱范围相邻，第二光谱范围设置于第一光谱范围的一侧，第二光谱范围设置为氧气没有吸收的光谱位置，测量过程中用于对测试结果进行修正，从而提高氧气浓度的测试精度。为了提高氧气浓度检测的准确性，优选第二光谱范围的中心波长为750nm，第二光谱范围的半波宽小于等于10nm。第二光源12设置于第一光源11光路的外侧，第二光源12 的光轴与半反半透镜2的半反半透面呈45°夹角，第二光源12发出的光经半反半透面反射后与第一光源11的光路相互重合。准直透镜3垂直设置于第一光源11和第二光源12的光路上，准直透镜3起到准直的作用，将第一光源 11和第二光源12发出的第一光谱范围和第二光谱范围的光准直呈平行光，然后入射至气室4内。为了简化结构，降低装调难度，准直透镜3可以优选为能起到准直作用的单个镜组；为了提高准直精度，准直透镜3也可以优选为两个或两个以上透镜组成的准直镜组。气室4为内部密封的腔室，外侧设置有与内部腔室相连通的进气口41和出气口42。待测气体从进气口41进入气室4内部腔室中，从出气口42排出气室4。气室4的一端面设置有透明的入光窗口43，另一端面设置有透明的出光窗口44。气室4设置于光源组件1的光路上，光源组件1发出的第一光谱范围和第二光谱范围的光经准直透镜3 准直后从入光窗口43入射至气室4内，气室4内部腔体的待测气体中的氧气对部分第一光谱范围内的光进行吸收，剩余第一光谱范围的光和第二光谱范围的光从气室4的出光窗口44出射，并照射至聚焦透镜5上。聚焦透镜5垂直设置于光源组件1的光轴上，聚焦透镜5起到聚焦的作用，聚焦透镜5将从气室4出射的光线聚焦至探测器6。为了简化结构，降低装调难度，聚焦透镜5可以优选为能起到聚焦作用的单个镜组；为了提高聚焦精度，聚焦透镜5 也可以优选为两个或两个以上透镜组成的聚焦镜组。探测器6设置于光轴上，且位于会聚透镜5的焦平面上。探测器6用于探测从气室4出射的光的参数，用于待测气体中氧气浓度的检测。作为优选，探测器6可以为光电二极管。

对于第一实施例所提供的氧气浓度检测装置，第一光源11发出的第一光谱范围的光经过半反半透镜2，然后经准直透镜3准直后平行入射至气室4 内，并被气室4内的氧气吸收，然后从气室4中射出，经聚焦透镜5聚焦至探测器6的探测面上，形成测试通道。第二光源12发出的第二光谱范围的光经半反半透镜2反射后与第一光源11的光路相互重合，然后经准直透镜3准直后平行入射至气室4内，并从气室4内射出，经会聚透镜5聚焦至探测器6 的探测面上，形成第一参考通道。测试通道与第一参考通道经过相同的气室4，消除了现有技术中由于气室长度差异而引入的测试系统误差，从而提高了氧气浓度检测的精度。

第二实施例(未提供附图)

本实用新型还提供第二实施例，第二实施例的光源组件1还包括第三光源，第三光源发出第三光谱范围的光，第三光谱范围设置为与第一光谱范围相邻，第三光谱范围设置于第一光谱范围的另一侧，第三光谱范围设置为氧气没有吸收的光谱位置，测量过程中用于对测试结果进行修正，从而提高氧气浓度的测试精度。为了提高氧气浓度检测的准确性，第三光谱范围的中心波长优选为780nm，第三光谱范围的半波宽小于等于10nm。第三光源设置于第一光源11光路的外侧，第三光源与第二光源12相对设置，第三光源的光轴与半反半透镜2的半反半透面呈45°夹角，第三光源发出的光经半反半透面反射后与第一光源11和第二光源12的光路相互重合。

其余部分同第一实施例。

第三光源发出的第三光谱范围的光经半反半透镜2反射后与第一光源11、第二光源12的光路相互重合，然后经准直透镜3准直后平行入射至气室4内，并从气室4内射出，经会聚透镜5聚焦至探测器6的探测面上，形成第二参考通道。测试通道、第一参考通道与第二参考通道经过相同的气室4，消除了现有技术中由于气室长度差异而引入的测试系统误差，从而提高了氧气浓度检测的精度。同时，第二实施例所提供的氧气浓度检测装置，设置有第一参考通道和第二参考通道，第一参考通道和第二参考通道共同对测试通道的测试结果进行修正，进一步提高了氧气浓度的测试精度。

第三实施例

本实用新型还提供第三实施例。参考附图3，光源组件1为宽光谱光源，宽光谱光源范围覆盖第一光谱范围、第二光谱范围和第三光谱范围。探测器6 优选为光谱仪，用于探测经过气室4的第一光谱范围、第二光谱范围及第三光谱范围的光参数。

其余部分同第一实施例及第二实施例。

第三实施例所提供的氧气浓度检测装置，简化了光源组件的整体结构，方便氧气浓度检测装置的装配和调整。

第四实施例

本实用新型还提供第四实施例。参考附图4，光源组件1为宽光谱光源，宽光谱光源范围覆盖第一光谱范围和第二光谱范围。第四实施例所提供的氧气浓度检测装置，还包括第一滤光片71和第二滤光片72。第一滤光片71的通过光谱范围为第一光谱范围，第二滤光片72的通过光谱范围为第二光谱范围。第一滤光片71和第二滤光片72可拆卸地设置于宽光谱光源的光路上，第一滤光片71和第二滤光片72设置于探测器6的前侧。作为优选，探测器6为光电二极管。

其余部分同第三实施例。

测试氧气浓度时，光源组件1发出的宽光谱的光经准直透镜3准直后平行入射至气室4内，宽光谱中部分第一光谱范围的光被气室4中的待测气体吸收后，从气室4中射出，经过第一滤光片71后将第一光谱范围的光滤出，滤出的第一光谱范围的光经会聚透镜5会聚至探测器6上，形成测试通道；然后将第一滤光片71拆下，将第二滤光片72放置于光路中，对第二光谱范围的光进行滤光，第二光谱范围的光经会聚透镜5会聚至探测器6上，形成第一参考通道。

第四实施例所提供的氧气浓度检测装置，第一滤光片71和第二滤光片 72还可以按照如下方式设置。具体地说，第一滤光片71和第二滤光片72位于宽光谱光源的光路上，且第一滤光片71和第二滤光片72并列地设置于探测器6的前侧。测试过程中，能够同时测量从气室中出射的第一光谱范围和第二光谱范围的光强，无需切换第一滤光片71和第二滤光片72，加快了测试速度，简化了操作过程，且减小了测试仪器的整体体积。

第五实施例

本实用新型还提供第五实施例。参考附图5，第五实施例所提供的氧气浓度检测装置，光源组件1为宽光谱光源，宽光谱光源范围覆盖第一光谱范围、第二光谱范围和第三光谱范围。本实施例所提供的氧气浓度检测装置还包括第三滤光片73，第三滤光片73的通过光谱范围为第三光谱范围。第三滤光片73可拆卸地设置于宽光谱光源的光路上，第三滤光片73设置于探测器6 的前侧。

其余部分同第四实施例。

测试氧气浓度时，光源组件1发出的宽光谱的光经准直透镜3准直后平行入射至气室4内，宽光谱中部分第一光谱范围的光被气室4中的待测气体吸收后，从气室4中射出，经过第一滤光片71后将第一光谱范围的光滤出，滤出的第一光谱范围的光经会聚透镜5会聚至探测器6上，形成测试通道；然后将第一滤光片71拆下，将第二滤光片72放置于光路中，对第二光谱范围的光进行滤光，第二光谱范围的光经会聚透镜5会聚至探测器6上，形成第一参考通道；然后将第二滤光片72拆下，将第三滤光片73放置于光路中，对第三光谱范围的光进行滤光，第三光谱范围的光经会聚透镜5会聚至探测器6上，形成第二参考通道。

第五实施例所提供的氧气浓度检测装置，第一滤光片71、第二滤光片72 和第三滤光片73还可以按照如下方式设置。具体地说，第一滤光片71、第二滤光片72和第三滤光片73位于宽光谱光源的光路上，且第一滤光片71、第二滤光片72和第三滤光片73并列地设置于探测器6的前侧。测试过程中，能够同时测量从气室中出射的第一光谱范围、第二光谱范围和第三光谱范围的光强，无需切换第一滤光片71、第二滤光片72和第三滤光片，加快了测试速度，简化了操作过程，且减小了测试仪器的整体体积。

Claims (10)

1.一种氧气浓度检测装置，其特征在于，包括：

光源组件，所述光源组件具有：

第一光谱范围，所述第一光谱范围设置为氧气的吸收峰处；

第二光谱范围，所述第二光谱范围与所述第一光谱范围相邻设置，所述第二光谱范围设置于所述第一光谱范围一侧，所述第二光谱范围设置为氧气没有吸收的光谱位置；

气室，所述气室位于所述光源组件的光轴上；

探测器，所述探测器位于所述光源组件的光轴上，所述探测器沿所述光源的光线传播方向设置于所述气室的后侧；

所述光源组件发出的所述第一光谱范围的光穿过所述气室，被所述探测器接收，形成测试通道；所述光源组件发出的所述第二光谱范围的光穿过所述气室，被所述探测器接收，形成第一参考通道。

2.根据权利要求1所述的氧气浓度检测装置，其特征在于，所述光源组件还具有：

第三光谱范围，所述第三光谱范围设置于所述第一光谱范围另一侧，所述第三光谱范围设置为氧气没有吸收的光谱位置；

所述光源组件发出的所述第三光谱范围的光穿过所述气室，被所述探测器接收，形成第二参考通道。

3.根据权利要求2所述的氧气浓度检测装置，其特征在于，所述光源组件包括：

第一光源，所述第一光源发出所述第一光谱范围的光；

第二光源，所述第二光源发出所述第二光谱范围的光；

半反半透镜，所述半反半透镜位于所述第一光源的光轴上，所述半反半透镜设置于所述气室的前侧，所述半反半透镜与所述第一光源的光轴呈45°设置，所述第二光源设置于所述半反半透镜的一侧，所述第二光源发出的光经所述半反半透镜反射后与所述第一光源的光路重合。

4.根据权利要求3所述的氧气浓度检测装置，其特征在于，所述光源组件还包括第三光源，所述第三光源发出所述第三光谱范围的光，所述第三光源位于所述半反半透镜的另一侧，所述第三光源的发出的光经所述半反半透镜反射后与所述第一光源的光路和/或所述第二光源的光路相重合。

5.根据权利要求1所述的氧气浓度检测装置，其特征在于，所述第一光谱范围的中心波长为765nm，所述第一光谱范围的半波宽小于等于10nm。

6.根据权利要求1所述的氧气浓度检测装置，其特征在于，所述第二光谱范围的中心波长为750nm，所述第二光谱范围的半波宽小于等于10nm。

7.根据权利要求2所述的氧气浓度检测装置，其特征在于，所述第三光谱范围的中心波长为780nm，所述第三光谱范围的半波宽小于等于10nm。

8.根据权利要求2所述的氧气浓度检测装置，其特征在于，所述光源组件为宽光谱光源，所述宽光谱光源光谱范围覆盖所述第一光谱范围、所述第二光谱范围和所述第三光谱范围。

9.根据权利要求8所述的氧气浓度检测装置，其特征在于，还包括：

第一滤光片，所述第一滤光片的通过光谱范围为第一光谱范围；

第二滤光片，所述第二滤光片的通过光谱范围为第二光谱范围；

第三滤光片，所述第三滤光片的通过光谱范围为第三光谱范围；

所述第一滤光片、所述第二滤光片和所述第三滤光片设置于所述宽光谱光源的光路上，所述第一滤光片、所述第二滤光片和所述第三滤光片设置于所述探测器的前侧。

10.根据权利要求1～9任一项所述的氧气浓度检测装置，其特征在于，还包括：

准直透镜，所述准直透镜设置于所述光源组件的光路上，所述准直透镜位于所述气室的前侧；

聚焦透镜，所述聚焦透镜设置于所述光源组件的光路上，所述聚焦透镜位于所述气室的后侧。

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