CN217112071U - 一种便携式中红外激光非合作目标气体遥测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于气体检测技术领域，具体涉及一种便携式中红外激光非合作目标气体遥测装置，包括信号发生器、激光温度和电流控制器、锁相放大器、计算机、液晶显示模块、中红外激光器、激光准直器、90°转向三棱镜、氟化钙平凸透镜、光电探测器；信号发生器、激光温度和电流控制器和中红外激光器依次电连接；中红外激光器竖直向上放置，其上方设置激光准直器和90°转向三棱镜，三者位于同一轴线上；光电探测器设置在氟化钙平凸透镜的焦点位置，并与锁相放大器、计算机和液晶显示模块依次电连接。本实用新型提高了鲁棒性，有效抑制标准具条纹和降低噪声，结构紧凑、小型化方便携带和使用。

Description

一种便携式中红外激光非合作目标气体遥测装置

技术领域

本实用新型属于气体检测技术领域，具体涉及一种便携式中红外激光非合作目标气体遥测装置。

背景技术

目前，对于石油工业中的管道泄漏检测等应用，现有的检测技术可大致分为3类，(1)传统的气相色谱(GC)、质谱仪(MS)或色质联用(GC-MS)；(2)电子鼻，金属氧化物气敏传感器等；(3)光学方法。GC-MS方法能实现高灵敏的分析和测量，但是属于实验室分析方法，仪器设备庞大，使用条件苛刻，并不能满足现场便携式检测。电子鼻式的气敏传感器价格便宜，应用于石油化工领域的气体检测多采用此类手持式或固定式的直接接触型气敏传感器。不过，该类气体分析仪由于通用性比较差，可靠性、灵敏度较低等缺点,难以实现像异丁烷这种微量气体的检测。另外，以上两种检测技术在石油工业强大背景气体的干扰下，检测结果很容易出现严重误差，不满足石油工业检测的高灵敏和高选择性的遥测需求。传统的危险气体检测装置不能实现大分子危险气体进行高灵敏度非合作式遥测，只针对浓度较高的危险气体进行遥测，对于痕量气体无法实现遥测，也对于异丁烷易燃易爆气体无法实现遥测。

光学方法尤其是激光检测方法是近年来兴起的一种先进的现代检测方法。其中，可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)，简称TDLAS技术，具有精度高分辨率高、响应速度快、抗干扰性强等特点。

实用新型内容

为了实现在油库区痕量气体的准确检测，本实用新型提供了一种便携式中红外激光非合作目标气体遥测装置，利用波长调制光谱(WMS) 技术对异丁烷等痕量气体进行非合作目标下的气体检测，在锯齿波与正弦波叠加信号作用下，激光器发出的光经过准直后，经过三棱镜反射后，打到目标气体区域后，经过对面的障碍物上发生漫反射，反射光经过平凸透镜汇聚到高灵敏中红外探测器上，转化成电信号。电信号送入锁相放大器中进行相敏检波，得到气体的二次谐波和一次谐波信号。然后根据WMS-2f/1f测量模型反演出气体浓度。这种高灵敏的便携式遥测装置将会是未来石油工业气体检测的发展趋势。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种便携式中红外激光非合作目标气体遥测装置，包括激光收发模组和激光主控模组，所述激光主控模组包括信号发生器、激光温度和电流控制器、锁相放大器、计算机、液晶显示模块；所述激光收发模组包括中红外激光器、激光准直器、90°转向三棱镜、氟化钙平凸透镜、光电探测器；

所述信号发生器、激光温度和电流控制器和中红外激光器依次电连接；所述中红外激光器竖直向上放置，并在其上方设置激光准直器和90°转向三棱镜，其中中红外激光器、激光准直器和90°转向三棱镜反光面中心点位于同一轴线上；

所述光电探测器设置在氟化钙平凸透镜1的内侧焦点位置，并与锁相放大器、计算机和液晶显示模块依次电连接。

进一步的，所述90°转向三棱镜10的反射轴线和氟化钙平凸透镜11和光电探测器6光敏面共轴设置。

进一步的，所述遥测装置还设置有测距指示激光7。

相较现有技术，本实用新型有益效果如下：

1、本实用新型通过合理的选择被测气体的吸收谱线，选用已被验证过的浓度检测方案，提高了此装置的鲁棒性。

2、本实用新型配备激光测距指示器，可以实时显示不可见近红外激光器发射光的大致位置，并且可以获取检测距离，一方面降低安全风险，另一方面提高检测效率。

3、本实用新型应用平凸透镜进行聚焦，采用非合作目标的方式进行遥测，无需进行复杂的光路调试，为一线技术人员提供了便利的使用条件。

4、本实用新型利用波长调制技术，可以有效抑制标准具条纹和降低噪声。

5、本实用新型采用90°转向三棱镜和氟化钙平凸透镜的结合，增强了发射激光的光强同时也增强了激光信号的接收强度，实现了高灵敏度、非接触式非合作目标远距离测量。遥测装置也实现了紧凑式、小型化的结构设计，方便于使用人员的携带和使用。

6、本实用新型具有良好的便携性和鲁棒性，适用于各种恶劣环境条件，与移动机器人或无人机相结合，可以实现特定场景(如大型工业园区、灾后现场、恶劣工况环境等)下的危险气体检测和预警，可为搭载于无人机或机器人等移动平台实现自动化、智能化的巡检奠定基础。

附图说明

图1：本实用新型结构示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更加清楚的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和实施例对本实用新型进一步详细描述。但是此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限制本实用新型的范围。

如图1所示，一种便携式中红外激光非合作目标气体遥测装置，包括激光收发模组和激光主控模组两部分。激光主控模组包括信号发生器1、激光温度和电流控制器2、锁相放大器3、计算机4、液晶显示模块5。激光收发模组包括中红外激光器8、激光准直器9、90°转向三棱镜10、氟化钙平凸透镜11、光电探测器6。

信号发生器1：用于产生正弦信号与锯齿信号的叠加信号，接入激光温度和电流控制器2，对中红外激光器8进行调谐。

激光温度和电流控制器2：从信号发生器1接入控制信号，用于直接控制中红外激光器8的输出波长。

锁相放大器3：对光电探测器6接收到的信号进行处理，并解调得到一次谐波与二次谐波信号，将解调信号传输到计算机4中，经计算得到浓度数据。

计算机4：接收锁相放大器3发送的数据，对数据进行处理，分析数据得到目标气体12的浓度信息。

液晶显示模块5：显示计算机4分析数据得到的目标气体12实时浓度信息和测距指示激光7检测的实时距离信息。

光电探测器6：对氟化钙平凸透镜11汇聚的激光信号进行检测，将光信号转换为电信号。

测距指示激光7：由于中红外激光器8发出的中红外激光是不可见光，不能确定激光照射的准确位置，因此测距指示激光7提供了指示和测距功能。

中红外激光器8：接受激光温度和电流控制器2的控制，发出激光，并导入激光准直器9。

激光准直器9：接受中红外激光器8发出的激光，并对激光光束进行准直，准直后的激光射向90°转向三棱镜10。

90°转向三棱镜10：接受激光准直器9准直后的激光，激光发生90°转向，使发射激光与氟化钙平凸透镜11和光电探测器6光敏面共轴。经转向后的激光对准目标气体12平行发射，光束进入目标气体12，照射到障碍物13发生漫反射。

氟化钙平凸透镜11：将障碍物13漫反射的后向反射光汇聚到光电探测器6上，实现遥测信号的接收。

信号发生器1、激光温度和电流控制器2和中红外激光器8依次电连接，信号发生器1设置一定频率的正弦波和锯齿波信号叠加，使激光波长扫过气体流场目标气体谱线，控制激光温度和电流控制器2 调节出发生激光的温度、电流，对中红外激光器8进行调谐，输出波长靠近目标气体谱线的激光。中红外激光器8竖直放置，激光向上射出，经过位于中红外激光器8上方的激光准直器9，对激光光束进行准直，准直后的激光射向90°转向三棱镜10。其中90°转向三棱镜 10反光面中心点位于中红外激光器8和激光准直器9的轴线上。经转向后的激光对准目标气体12平行发射，光束进入目标气体12，经目标气体12吸收后的光束照射到障碍物13发生漫反射。

光电探测器6设置在氟化钙平凸透镜11内侧焦点位置，障碍物13 漫反射的后向反射光经氟化钙平凸透镜11汇聚到光电探测器6上，实现对遥测光信号的接收，光电探测器6对遥测光信号进行检测，并将光信号转换为电信号。90°转向三棱镜10的反射轴线和氟化钙平凸透镜11和光电探测器6光敏面共轴设置，使激光发生90°转向后与氟化钙平凸透镜11和光电探测器6光敏面共轴，在激光照射到障碍物13上发生漫反射时，氟化钙平凸透镜11能将更多的漫反射光汇聚到光电探测器6上，提高遥测精度。光电探测器6、锁相放大器3、计算机4和液晶显示模块5依次电连接，锁相放大器3接收光电探测器6转换后的电信号进行处理，解调得到一次谐波与二次谐波信号，将解调信号传输到计算机4中进行处理，分析数据得到目标气体12 的浓度信息，并在液晶显示模块5上显示目标气体12实时浓度信息。

由于中红外激光器8发出的中红外激光是不可见光，不能确定激光照射的准确位置，因此本遥测装置还设置有测距指示激光7提供了指示和测距，方便对目标气体12进行定向和测距。测距指示激光7 检测的实时距离信息显示在液晶显示模块5上。

本实用新型中所有组件均为现有市场采购的通用型号。

以上所述仅为本实用新型的示例性实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种便携式中红外激光非合作目标气体遥测装置，包括激光收发模组和激光主控模组，其特征在于：

所述激光主控模组包括信号发生器(1)、激光温度和电流控制器(2)、锁相放大器(3)、计算机(4)、液晶显示模块(5)；

所述激光收发模组包括中红外激光器(8)、激光准直器(9)、90°转向三棱镜(10)、氟化钙平凸透镜(11)、光电探测器(6)；

所述信号发生器(1)、激光温度和电流控制器(2)和中红外激光器(8)依次电连接；所述中红外激光器(8)竖直向上放置，并在其上方设置激光准直器(9)和90°转向三棱镜(10)，其中中红外激光器(8)、激光准直器(9)和90°转向三棱镜(10)反光面中心点位于同一轴线上；

所述光电探测器(6)设置在氟化钙平凸透镜(11)的内侧焦点位置，并与锁相放大器(3)、计算机(4)和液晶显示模块(5)依次电连接。

2.根据权利要求1所述的一种便携式中红外激光非合作目标气体遥测装置，其特征在于：所述90°转向三棱镜(10)的反射轴线和氟化钙平凸透镜(11)和光电探测器(6)光敏面共轴设置。

3.根据权利要求1所述的一种便携式中红外激光非合作目标气体遥测装置，其特征在于：所述遥测装置还设置有测距指示激光(7)。

Images