CN219455939U - 一种共焦线型激光气体遥测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种共焦线型激光气体遥测仪，包括共焦线型激光遥测光路单元、激光器控制单元、信号分析处理单元、显示报警与传输单元以及供电单元，共焦线型激光遥测光路单元包括检测激光器、瞄准激光器、激光合束器、第一聚光透镜、共焦线型准直器、第二聚光透镜和光电探测器，共焦线型准直器包括准直聚焦器和准直整形器，所述准直聚焦器用于将合束激光准直汇聚成点光斑，所述准直整形器用于将所述准直聚焦器准直汇聚后的点光斑整形为线型光斑。本实用新型解决了现有共焦激光遥测装置中点状检测光斑小、不易瞄准、快速巡检时容易出现漏测的问题；且由于线型检测光斑较长，可快速完成对大型空间的扫描，节省了巡检时间，满足安全生产的预警需求。

Description

一种共焦线型激光气体遥测仪

技术领域

本实用新型涉及一种激光气体遥测领域，具体的说，涉及了一种共焦线型激光气体遥测仪。

背景技术

目前基于可调谐激光二极管技术（TDLAS）的激光气体遥测仪是危险气体泄漏检测的主要手段之一，遥测仪的检测激光器发出激光束照射在测量目标后面的背景反射物上，经反射后，遥测仪接收反射光并汇聚到光电探测器上，对接收的光信号进行分析得到测量目标的气体信息。实际应用中，为保证测量结果的准确性及灵敏度，需要将遥测仪的检测激光准确的穿过泄露气团。由于检测激光为不可见光，遥测仪需要使用可见激光来做瞄准激光，如红光、绿光来指示检测激光的位置，便于检测人员进行操作。

而传统遥测仪一般采用检测激光和瞄准激光以一定的距离平行或水平放置，即检测激光和瞄准激光平行指示的方式。然而实际应用时很难达到理想的绝对平行状态，从而导致指示偏差，距离越远，偏差越严重，甚至会干扰检测者检测的位置，或者探测不到气体。

CN215415036U给出了一种共焦激光遥测装置，通过设置共焦线型激光遥测光路单元，使激光遥测装置能够准确的探测到气体，避免出现由于瞄准激光和检测激光的指示偏差导致检测者判断错泄漏点位置或者探测不到气体的情况。

但上述共焦激光遥测装置还存在以下缺点：

（1）共焦激光遥测装置的出射光是一条直线，光斑小，只能检测光线扫描到的路径上是否存在气体泄漏。因此在燃气巡检过程中，检测激光只有很好地瞄准燃气管道，才能在管道泄漏时报警。而在实际巡检中，特别是车载巡检，很难保证检测激光一直稳定地瞄准燃气管道。如果检测激光没有瞄准燃气管道，当燃气管道泄漏时，共焦激光遥测装置不会发出报警，就会出现漏报的现象。

（2）当进行大型空间的巡检时，由于该共焦激光遥测装置的检测光斑小，因此必须将该共焦激光遥测装置依次转动，使检测光斑沿着“Z”字型扫描，如图1所示，导致扫描时间成倍增加，检测速度慢，无法满足安全生产的快速预警需求。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种能够快速进行危险气体泄漏检测的共焦线型激光气体遥测仪，减少漏报。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种共焦线型激光气体遥测仪，包括共焦线型激光遥测光路单元、激光器控制单元、信号分析处理单元、显示报警与传输单元以及供电单元；

所述共焦线型激光遥测光路单元包括检测激光器、瞄准激光器、激光合束器、第一聚光透镜、共焦线型准直器、第二聚光透镜和光电探测器，所述共焦线型准直器包括准直聚焦器和准直整形器，所述准直聚焦器用于将合束激光准直汇聚成点光斑，所述准直整形器用于将所述准直聚焦器准直汇聚后的点光斑整形为线型光斑；

所述激光器控制单元分别与所述检测激光器和所述瞄准激光器连接；

所述信号分析处理单元分别与所述光电探测器、所述激光器控制单元、供电单元以及所述显示报警与传输单元连接。

本实用新型相对现有技术具有实质性特点和进步，具体的说，本实用新型通过构建共焦线型准直器，共焦线型准直器可使检测激光和瞄准激光共焦出射，即检测激光和瞄准激光照射的位置、线型光斑的长度均相同，实现瞄准激光照射的位置即为检测激光的检测位置，解决了瞄准激光、检测激光不重合造成的漏报或者检测点无法定位的问题，增加用户的体验感。

将共焦线型准直器应用于激光气体遥测仪中，使得所述激光气体遥测仪射出的检测光斑为线型，解决了现有共焦激光遥测装置中由于点状检测光斑小、不易瞄准、快速巡检时容易出现漏测的问题。

且由于线型检测光斑较长，相比现有共焦激光遥测装置可以更快的完成对大型空间的扫描，不易漏报的同时节省了巡检时间，满足安全生产的预警需求。

本方案中的共焦线型激光气体遥测仪可实现扇形区域的检测，检测范围大，不用特别瞄准，使用方便，特别适合车载燃气巡检等需要快速扫描或大范围区域扫描的应用，不易漏报同时缩短巡检时间。

附图说明

图1是现有激光遥测仪检测大范围空间示意图。

图2是本实用新型实施例1所述的共焦线型激光气体遥测仪的结构示意图。

图3是本实用新型共焦线型激光准直器的结构示意图。

图4是本实用新型实施例2所述的共焦线型激光气体遥测仪的结构示意图。

图中，1. 检测激光器；2. 激光器控制单元；3.瞄准激光器；4. 激光合束器；5.光电探测器；6.信号分析处理单元；7.供电单元；8. 第二聚光透镜；9. 显示报警与传输单元；10.第一聚光透镜；11. 待测气体；12. 激光线型光束；13. 共焦线型准直器；14.背景反射物；15. 准直聚焦器；16. 准直整形器；17.激光分束器；18.参考探测器；19.模拟开关。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种共焦线型激光气体遥测仪，如图2所示，包括共焦线型激光遥测光路单元、激光器控制单元2、信号分析处理单元6、显示报警与传输单元9以及供电单元7。

所述共焦线型激光遥测光路单元包括检测激光器1、瞄准激光器3、激光合束器4、第一聚光透镜10、共焦线型准直器13、第二聚光透镜8和光电探测器5。

在具体实施方式中，所述检测激光器1选用目前主流的半导体激光器，如DFB半导体激光器、VCSEL激光器等；所述瞄准激光器3选用可见光激光器，如绿光或者红光激光器，以指示检测激光的检测位置。

在具体实施方式中，所述第一聚光透镜10为平凸透镜或非球面透镜，所述第二聚光透镜8为柱面透镜、平凸透镜、或者胶合透镜，所述光电探测器5为InGaAs光电探测器或者阵列型InGaAs光电探测器。

在一些实施方式中，所述第二聚光透镜8与所述第一聚光透镜10之间还设置有滤光片，以对所述第一聚光透镜10汇聚的光束进行滤光。优选的，所述滤光片为检测激光可透过的窄带干涉滤光片。

在具体实施方式中，所述激光器控制单元2，分别与所述检测激光器1和所述瞄准激光器3连接。具体的，所述检测激光器1驱动使用低频的锯齿波叠加高频的正弦波信号，驱动波形曲线为，信号分析处理单元根据该曲线数据，输出激光驱动信号，经过DA转换后，传送给所述激光器控制单元，从而驱动所述检测激光器1按照该驱动波形曲线进行发光。其中k、a、b值，是根据光路系统进行调整的，调整合适的参数可抑制光路的干涉噪声，提高信噪比，降低遥测仪的检测下限。

在具体实施方式中，所述信号分析处理单元6分别与所述光电探测器5、所述激光器控制单元2、供电单元7以及所述显示报警与传输单元9连接。

如图3所示，所述共焦线型准直器13包括准直聚焦器15和准直整形器16，所述准直聚焦器15用于将合束激光准直汇聚成点光斑，所述准直整形器16用于将所述准直聚焦器15准直汇聚后的点光斑整形为线型光斑。

在一些实施方式中，所述准直聚焦器15为聚焦透镜，所述准直整形器16为一字镜、柱面镜或者鲍威尔棱镜。

在另一些实施方式中，所述准直聚焦器15为消色差聚焦透镜，所述准直整形器16为一字镜、柱面镜或者鲍威尔棱镜与消色差透镜组成的消色差光学系统。

可以理解，所述消色差聚焦透镜消除了色差，可以使两种不同波长的光聚焦后的光斑大小和位置相同，同时输入准直整形器。同理，所述消色差光学系统能够消除色差，将两种不同波长的光同时整形为线型光斑，且线型光斑的长度和位置相同，便于操作人员根据瞄准激光的范围判断检测激光的检测范围。

本实施例所述的共焦线型激光准直器可以将检测激光和瞄准激光准直为：在50m远处，线型光斑的长度为3m，宽度为15mm，距离小于50米时，线型光斑的长度和宽度会相应缩小。

本实施例的工作原理如下：

所述激光器控制单元2控制连接所述检测激光器1和所述瞄准激光器3，所述检测激光器1和所述瞄准激光器3分别出射检测激光和瞄准激光两路光线，经所述激光合束器4合束后，由所述共焦线型准直器13准直为线型光束射出，并使检测激光束和瞄准激光束照射的位置、线型光斑的长度均相同。

出射的激光线型光束12穿过待测气体11被待测气体11吸收后，照射到背景反射物14上，经背景反射物14反射后，再次穿过待测气体11，被待测气体11二次吸收。

所述第一聚光透镜10将经过待测气体11二次吸收的检测激光汇聚到所述第二聚光透镜8上，并经所述第二聚光透镜8二次汇聚到所述光电探测器5上；所述光电探测器5将接收到的光信号转换为电信号后，传输给所述信号分析处理单元6。

所述信号分析处理单元6接收所述光电探测器5传输的包含待测气体11浓度信息的电信号后，对该信号进行放大滤波，解调一次谐波f和二次谐波2f后，计算出目标气体的浓度信息。

所述显示报警与传输单元9用于在待测气体11浓度高于报警阈值时，发出声光、振动报警，从而警示检测人员该处发生气体泄漏；所述显示报警与传输单元9还用于将测试状态、待测气体11浓度通过无线通讯模块实时传送给远程终端，进行显示、统计和分析。

可以理解，通过构建所述共焦线型准直器13，使检测激光和瞄准激光共焦出射，即检测激光和瞄准激光照射的位置、线型光斑的长度均相同，实现瞄准激光照射的位置即为检测激光的检测位置，解决了瞄准激光、检测激光不重合造成的漏报或者检测点无法定位的问题，增加用户的体验感。

将所述共焦线型准直器13应用于激光气体遥测仪中，使得所述激光气体遥测仪射出的检测光斑为线型，解决了现有共焦激光遥测装置中由于点状检测光斑小、不易瞄准、快速巡检时容易出现漏测的问题。

且相比现有共焦激光遥测装置需要沿着“Z”字型扫描来实现对大型空间的扫描，本实施例中由于线型检测光斑较长，因此无需再控制共焦线型激光气体遥测仪使其沿着“Z”字型移动，来完成对大型空间的扫描，不易漏报的同时节省了巡检时间，满足安全生产的预警需求。且本实用新型的应用方式灵活多样，可为手持式、车载式、机载式、固定式等。

该激光气体遥测仪的使用方法为：将遥测仪对准50米内的管道，并沿着管道向一个方向不断的推进，来实现对一段管道的巡检。由于本方案中的共焦线型激光气体遥测仪的检测范围成扇形区域，范围大，不用特别瞄准，使用方便，特别适合车载燃气巡检等需要快速扫描或大范围区域扫描的应用，不易漏报同时缩短巡检时间。

进一步的，在具体实施时，通过更换不同中心波长的检测激光器1可实现测量不同的气体的微量泄漏，如乙烷、氨气、硫化氢、一氧化碳、乙炔等。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：如图4所示，所述共焦线型激光气体遥测仪还包括激光分束器17、参考探测器18和模拟开关19，所述激光分束器17的输入端连接所述检测激光器1，所述激光分束器17的两个输出端分别连接所述激光合束器4和所述参考探测器18，用于将检测激光分别照射到所述激光合束器4和所述参考探测器18；所述参考探测器18和所述光电探测器5分别与所述模拟开关19连接，所述模拟开关19还与所述信号分析处理单元6连接。

在具体实施时，所述参考探测器18内密封有待测气体11。

为了能够实时锁定检测激光器1的吸收峰，检测激光进入所述激光合束器4前，可以通过所述激光分束器17将小部分检测激光照射到所述参考探测器18上，所述参考探测器18将接收到的光信号转换为电信号后，传送到所述模拟开关19中，经过所述模拟开关19选择通道后，传送给所述信号分析处理单元6进行处理后，动态调整检测激光器的中心波长，使其始终锁定在气体的吸收峰上，从而提高检测灵敏度和精准性。

可以理解，半导体激光器输出的中心波长与其驱动电流及温度有关，确定半导体激光器的驱动电流后，通过调整半导体激光器内部TEC的温度，即可使半导体激光器的中心波长锁定在目标气体的吸收峰上。因此，在具体实施时，所述激光器控制单元2包括电流驱动单元和温度控制单元，所述信号分析处理单元6发出的激光器驱动信号经过DAC转换后，传送给所述激光器控制单元2驱动所述检测激光器1和所述瞄准激光器3发光，同时所述激光器控制单元2中的温度控制单元还对所述检测激光器1的TEC进行调整，使所述检测激光器1的输出波长始终稳定在气体的吸收峰上。

可以理解，所述激光分束器17的分光比具体可视实际情况而定，本公开的实施例对此不作限制。

实施例3

本实施例以甲烷气体泄漏为场景，选用中心波长在1653.7nm的DFB半导体激光器为检测激光器1。DFB半导体激光器由于其色性好、稳定性好，波长覆盖范围宽，可以根据目标气体的特征吸收峰选择中心波长，有效避免了其他气体的交叉干扰等特点，已经广泛应用于激光气体检测领域。

本实施例中，所述激光分束器17的分光比为1：99。激光分束器17将1%的检测激光照射到所述参考探测器18内密封有甲烷气体的参考气室中，根据该检测波形实时、动态调整激光器的中心波长，使检测激光始终锁定在1653.7nm的吸收峰上，从而提高检测灵敏度和精准性。

所述准直聚焦器15为消色差聚焦透镜，所述准直整形器16为鲍威尔棱镜与消色差透镜组成的消色差光学系统。

所述第一聚光透镜10和所述第二聚光透镜8表面还镀有测量波段的增透膜。所述增透膜可以提高接收透镜对测量激光的透过率，增加遥测距离。

工作时，所述激光分束器17将1%检测激光照射到所述参考探测器18上，所述参考探测器18将接收到的光信号转换为电信号后，传送到所述模拟开关19中，经过所述模拟开关19选择通道后，传送给所述信号分析处理单元6进行处理后，动态调整检测激光器的中心波长，使其始终锁定在气体的吸收峰上，从而提高检测灵敏度和精准性。

同时，所述激光分束器17将99%检测激光送入所述激光合束器4，与瞄准激经过激光合波器进行合束后，由所述共焦线型准直器13准直为线型光束射出。出射的激光线型光束12穿过待测气体11被待测气体11吸收后，照射到背景反射物14上，经背景反射物14反射后，再次穿过待测气体11，被待测气体11二次吸收。所述第一聚光透镜10将经过待测气体11二次吸收的检测激光汇聚到所述第二聚光透镜8上，并经所述第二聚光透镜8二次汇聚到所述光电探测器5上，所述光电探测器5将接收到的光信号转换为电信号后，传送到所述模拟开关19中；经过所述模拟开关19选择通道后，传送给所述信号分析处理单元6进行放大滤波，得到该信号的一次谐波f和二次谐波信号的强度，从而计算出待测气体11的浓度信息。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (5)

1.一种共焦线型激光气体遥测仪，其特征在于：包括共焦线型激光遥测光路单元、激光器控制单元、信号分析处理单元、显示报警与传输单元以及供电单元；

所述共焦线型激光遥测光路单元包括检测激光器、瞄准激光器、激光合束器、第一聚光透镜、共焦线型准直器、第二聚光透镜和光电探测器，所述共焦线型准直器包括准直聚焦器和准直整形器，所述准直聚焦器用于将合束激光准直汇聚成点光斑，所述准直整形器用于将所述准直聚焦器准直汇聚后的点光斑整形为线型光斑；

所述激光器控制单元分别与所述检测激光器和所述瞄准激光器连接；

所述信号分析处理单元分别与所述光电探测器、所述激光器控制单元、所述供电单元以及所述显示报警与传输单元连接。

2.根据权利要求1所述的一种共焦线型激光气体遥测仪，其特征在于：所述准直聚焦器为消色差聚焦透镜。

3.根据权利要求1所述的一种共焦线型激光气体遥测仪，其特征在于：所述准直整形器为一字镜、柱面镜或者鲍威尔棱镜与消色差透镜组成的消色差光学系统。

4.根据权利要求1所述的一种共焦线型激光气体遥测仪，其特征在于：所述第二聚光透镜与所述第一聚光透镜之间还设置有滤光片，以对所述第一聚光透镜汇聚的光束进行滤光。

5.根据权利要求4所述的一种共焦线型激光气体遥测仪，其特征在于：所述第一聚光透镜为平凸透镜或非球面透镜，所述滤光片为窄带干涉滤光片，所述第二聚光透镜为柱面透镜、平凸透镜、或者胶合透镜，所述光电探测器为InGaAs光电探测器或者阵列型InGaAs光电探测器。