CN217443635U - 一种基于积分腔技术的甲烷同位素测量光学探头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于积分腔技术的甲烷同位素测量光学探头，包括腔体以及自下而上依次平行设置在腔体内的第一高反镜片、第二高反镜片以及会聚透镜；所述第一高反镜片的下方设置有激光发射器；所述会聚透镜的上方焦点处设置有能够获取甲烷同位素信息的探测器。本实用新型基于积分腔技术构建光学探头，在腔体内通过激光发射器产生光束从第一高反镜片的离轴处入射后，在第一高反镜片和第二高反镜片之间形成多次反射且经过第二高反镜片的反射光束同时产生透射，透射光束再经会聚透镜会聚在探测器上，进而通过光束的强度值计算出腔体内甲烷同位素气体的浓度，实现同位素丰度的计算；该光学探头具有光程长、体积小的优点，适合微量气体的测量。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学测量技术领域，具体涉及一种基于积分腔技术的甲烷同位素测量光学探头。
背景技术
瓦斯大量的存储于岩层中，在煤矿中是比较常见的一种无色、无味、无臭、易爆炸的气体，其主要成分是甲烷。在实际矿井煤层开采过程中，不同赋存和开采强度条件下，瓦斯涌出现象时有发生，瓦斯涌出来源与所占比例难以确定，为安全生产埋下隐患。
在工业生产中通常采用可调谐半导体激光吸收光谱技术进行甲烷气体检测：光在通过充满被检测气体的吸收池后，某个单一频率的光被池中待测气体所吸收，光的衰减吸收的程度即可反映了待测气体的浓度。
现有技术下，吸收池的设计方案大多由两片反射镜片组成，在一边的反射镜上开两个孔，光从一个孔进入经过这两片镜片的反射从另一个孔出射，头光路径较短，形成的光程从厘米量级最多到百米量级，且受限于镜片之间的基长限制不能实现多次反射；同时两片镜片的反射率会直接影响出射激光的光强，测量精度难以保证；光程长度越长探头的体积越大，不利于微量气体的测量。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于积分腔技术的甲烷同位素测量光学探头，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种基于积分腔技术的甲烷同位素测量光学探头，包括腔体，还包括自下而上依次平行设置在腔体内的第一高反镜片、第二高反镜片以及会聚透镜；
所述第一高反镜片的下方设置有激光发射器；
所述会聚透镜的上方焦点处设置有能够获取甲烷同位素信息的探测器；
激光发射器产生的光束从第一高反镜片的离轴处入射，使之能够在第一高反镜片和第二高反镜片之间形成多次反射，同时经过第二高反镜片的反射光束能够产生透射，透射光束再经会聚透镜会聚在探测器上。
进一步地，所述腔体由冶金粉末外壳形成，整体呈圆柱形，所述外壳的上端面边缘处设置有若干个安装环。
进一步地，所述第一高反镜片、第二高反镜片、会聚透镜与腔体同轴设置。
进一步地，所述探测器采用InGaAs探测器或与之具有相同功能的器件，能够通过会聚在探测器上的光束的强度值计算出甲烷同位素气体的浓度，进而实现同位素丰度的计算。
由以上技术方案可知，本实用新型基于积分腔技术构建光学探头，在腔体内通过激光发射器产生光束从第一高反镜片的离轴处入射后，在第一高反镜片和第二高反镜片之间形成多次反射且经过第二高反镜片的反射光束同时产生透射，透射光束再经会聚透镜会聚在探测器上；进而通过会聚在探测器上的光束的强度值计算出腔体内甲烷同位素气体的浓度，实现同位素丰度的计算；该光学探头具有光程长、体积小的优点，适合微量气体的测量。
附图说明
图1为本实用新型的整体结构示意图；
图中：1、腔体；2、第一高反镜片；3、第二高反镜片；4、会聚透镜；5、激光发生器；6、探测器；7、安装环。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的一种优选实施方式做详细的说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。
由于甲烷是瓦斯气体中的主要成分，甲烷同位素气体为12CH4和13CH4，本实用新型旨在利用碳同位素示踪技术结合波长调制离轴积分腔输出光谱技术检测出甲烷气体的浓度，将瓦斯气体涌出遏制在“萌芽”阶段，为煤矿安全生产预警系统的开发与应用提供技术保障。
具体的：如图1所示的基于积分腔技术的甲烷同位素测量光学探头，包括圆柱形腔体1以及自下而上依次平行设置在腔体内反射率在99.9％以上的第一高反镜片2、第二高反镜片3以及会聚透镜4，且所述第一高反镜片、第二高反镜片、会聚透镜与腔体同轴；所述第一高反镜片的下方设置有激光发射器5；所述会聚透镜的上方焦点处设置有能够获取甲烷同位素信息的探测器6；激光发射器产生的光束从第一高反镜片的离轴处入射，使之能够在第一高反镜片和第二高反镜片之间形成多次反射，同时经过第二高反镜片的反射光束能够产生透射，透射光束再经会聚透镜会聚在探测器上。
具体的，为了保证有效的反射次数和光程，所述激光发射器的波长为1653nm，其产生的光束从第一高反镜片的入射角约为2度，在实际的使用中可以根据第一高反镜和第二高反透镜的间距及尺寸确定。
本优选实施例所述的腔体1由冶金粉末外壳形成，冶金粉末具有透气防水防尘的作用，避免环境中的水及粉尘影响检测精度，所述外壳的上端面边缘处设置有若干个安装环7，在具体的使用中，通过安装环可以很方便的将本实用新型所述的光学探头安装在矿井中使用；所述探测器采用InGaAs探测器，能够通过会聚在探测器上的光束的强度值计算出甲烷同位素气体的浓度，进而实现同位素丰度的计算，由InGaAs材料制成的探测器具有灵敏度高、响应速度快、抗辐照特性良好、能够在室温下工作等优点。
本优选实施例在腔体内通过激光发射器5产生光束从第一高反镜片2的离轴处入射后，在第一高反镜片和第二高反镜片3之间形成多次反射且经过第二高反镜片的反射光束同时产生透射，透射光束再经会聚透镜4会聚在探测器6上；进而通过会聚在探测器上的光束的强度值计算出腔体内甲烷同位素气体的浓度，实现同位素丰度的计算；该光学探头具有光程长、体积小的优点，适合微量气体的测量。
以上所述实施方式仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于积分腔技术的甲烷同位素测量光学探头，包括腔体，其特征在于，还包括自下而上依次平行设置在腔体内的第一高反镜片、第二高反镜片以及会聚透镜；
所述第一高反镜片的下方设置有激光发射器；
所述会聚透镜的上方焦点处设置有能够获取甲烷同位素信息的探测器；
激光发射器产生的光束从第一高反镜片的离轴处入射，使之能够在第一高反镜片和第二高反镜片之间形成多次反射，同时经过第二高反镜片的反射光束能够产生透射，透射光束再经会聚透镜会聚在探测器上。
2.根据权利要求1所述的基于积分腔技术的甲烷同位素测量光学探头，其特征在于，所述腔体由冶金粉末外壳形成，整体呈圆柱形，所述外壳的上端面边缘处设置有若干个安装环。
3.根据权利要求2所述的基于积分腔技术的甲烷同位素测量光学探头，其特征在于，所述第一高反镜片、第二高反镜片、会聚透镜与腔体同轴设置。
4.根据权利要求1所述的基于积分腔技术的甲烷同位素测量光学探头，其特征在于，所述探测器采用InGaAs探测器或与之具有相同功能的器件，能够通过会聚在探测器上的光束的强度值计算出甲烷同位素气体的浓度，进而实现同位素丰度的计算。
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2022
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