CN221260786U - 一种扫描式气体激光检测系统的光路对准装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种扫描式气体激光检测系统的光路对准装置，包括激光收发装置和设在激光收发装置外侧的角反射对准装置；所述激光收发装置包括有收发室，收发室的后部相对于菲涅尔透镜设有二向色镜，所述二向色镜的水平方向设有光电探测器，二向色镜的垂直方向设有四象限探测器。本申请光电探测器检测红外激光信号，能够用作于气体浓度的检测，而四象限探测器能够检测角反射对准装置发射的红光光斑，通过确定红光光斑的偏移信息，对激光收发装置进行调节便可实现光路的精密对准，用于光路精密对准，本申请扫描式气体激光检测系统的光路对准装置只需要一套激光收发装置，结合多个角反射装置，便可具有巡航过程光路精确对准的效果。

Description

一种扫描式气体激光检测系统的光路对准装置

技术领域

本实用新型涉及光电材料技术领域，具体涉及一种扫描式气体激光检测系统的光路对准装置。

背景技术

化工园区中集聚着很多化工企业，相比于普通园区，其突发环境事件的可能性显然更高，而事故引起的后果也会更加惨重。有毒有害气体是导致化工园区出现突发环境事件的关键因素。可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)是目前发展得最为成熟的高精度有毒有害气体浓度检测技术之一。TDLAS技术具有光源线宽窄、响应速度快、检测灵敏度高、抗干扰能力强、成本功耗低等诸多优势,因此被国内外研究机构和厂商广泛地应用于高精度有毒有害气体浓度的检测领域。目前化工园区一般采用多点多线布置多个开放式激光气体遥测仪监测或采用多个扫描式激光气体遥测仪巡航监测的方案，采用扫描式激光气体遥测仪巡航检测方案具有节约成本、现场安装调试简单、维护简易等优点。

专利公告号为CN208125598U的实用新型专利申请公开了“一种回转扫描式有害提起激光检测装置”。此专利提出将激光收发装置固定在旋转云台上，该旋转云台由动力传动装置和调节支座上下连接组成，利用一套激光收发装置实现多个角反射器的回转扫描检测，具有设备投资省和使用成本低的优点。目前激光收发装置与角反射对准装置之间存着光路精度对准效果不佳的问题，但是上述方案未提及光路对准方法。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于：如何提高激光检测系统光路对准精度的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：

一种扫描式气体激光检测系统的光路对准装置，包括激光收发装置和设在激光收发装置外侧的角反射对准装置；

所述激光收发装置包括有收发室，其中收发室的前端设有菲涅尔透镜，收发室的后部相对于菲涅尔透镜设有二向色镜，所述二向色镜的水平方向设有光电探测器，二向色镜的垂直方向设有四象限探测器；

所述光电探测器检测角反射对准装置发射的红外激光信号，所述四象限探测器检测角反射对准装置发射的红光光斑。

本申请通过在激光收发装置内部设置光电探测器和四象限探测器，其中光电探测器检测红外激光信号，能够用作于气体浓度的检测，而四象限探测器能够检测角反射对准装置发射的红光光斑，通过确定红光光斑的偏移信息，对激光收发装置进行调节便可实现光路的精密对准，用于光路精密对准，本申请扫描式气体激光检测系统的光路对准装置只需要一套激光收发装置，结合多个角反射装置，便可具有巡航过程光路精确对准的效果。

作为本实用新型进一步的方案：所述收发室的前端设有保护筒。

作为本实用新型进一步的方案：所述收发室的后端设有光纤接口和电缆接口。

作为本实用新型进一步的方案：所述角反射对准装置包括有若干组等距排列的小角反射镜，所述角反射对准装置的中间位置设有红光发射头。

作为本实用新型进一步的方案：所述四象限探测器的四个象限输出电流信号为I1、I2、I3和I4，且能够转换成电压信号为U1、U2、U3和U4，并采集、信号处理后得到代表光斑中心偏移信息的Δx、Δy，其中Δx、Δy的计算公式如下；

作为本实用新型进一步的方案：所述激光收发装置发射近红外光作用到角反射对准装置，后通过小角反射镜原路径返回，并通过菲涅尔透镜聚焦到光电探测器上。

作为本实用新型进一步的方案：所述角反射对准装置中心的红光发射头发射红光到激光收发装置，通过准直透镜后并发射，后通过二向色镜反射到四象限探测器上。

作为本实用新型进一步的方案：所述激光收发装置接收的近红外光和角反射对准装置中心发射的红光同轴。

作为本实用新型进一步的方案：所述收发室的外侧设有支撑架，其中支撑架的底部安装旋转云台。

作为本实用新型进一步的方案：所述四象限探测器采用四象限光电探测器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

首先，本申请通过在激光收发装置内部设置光电探测器和四象限探测器，其中光电探测器检测红外激光信号，能够用作于气体浓度的检测，而四象限探测器能够检测角反射对准装置发射的红光光斑，通过确定红光光斑的偏移信息，对激光收发装置进行调节便可实现光路的精密对准，用于光路精密对准，本申请扫描式气体激光检测系统的光路对准装置只需要一套激光收发装置，结合多个角反射装置，便可具有巡航过程光路精确对准的效果；

其次，本申请伺服控制电路将四象限探测器输出的光电流I1-I4转换成电压信号U1-U4，并采集、信号处理后得到代表光斑中心偏移信息的Δx、Δy；在扫描巡航过程中，伺服控制电路通过Δx、Δy参数调节三维旋转云台的水平和俯仰旋转电机，从而实现高精度光路自动校准，校准精度更高。

附图说明

图1为本实用新型实施例一种扫描式气体激光检测系统的光路对准装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例图1的俯视图；

图3为本实用新型实施例图1的右视图；

图4为本实用新型实施例光电探测器、四象限探测器、二向色镜光路线路图；

图5为本实用新型实施例角反射对准装置的示意图；

图6为本实用新型实施例四象限探测器的示意图；

图7为本实用新型实施例激光收发装置和角反射对准装置的位置布置图；

附图标记说明：1、激光收发装置；1-1、收发室；1-2、保护筒；1-3、支撑架；1-4、菲涅尔透镜；1-5、电缆接口；1-6、准直透镜；1-7、光电探测器；1-8、四象限探测器；1-9、二向色镜；2、角反射对准装置；2-1、小角反射镜；2-2、红光发射头；2-3、红光光斑；3、激光束一；4、激光束二；5、红光。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参照图1、图2、图3和图4，一种扫描式气体激光检测系统的光路对准装置，包括激光收发装置1和设在激光收发装置1外侧的若干个角反射对准装置2、以及设在激光收发装置1底部的三维旋转云台、以及控制激光收发装置1的伺服控制电路。

进一步的，激光收发装置1包括有收发室1-1，收发室1-1的外侧设有支撑架1-3，其中支撑架1-3的底部安装旋转云台；其中收发室1-1的前端设有菲涅尔透镜1-4，菲涅尔透镜1-4的前端又设有保护筒1-2，收发室1-1的后部相对于菲涅尔透镜1-4设有二向色镜1-9，二向色镜1-9为红外反可见光的镜，二向色镜1-9的水平方向设有光电探测器1-7，其中光电探测器1-7检测红外激光信号，用于气体浓度检测，二向色镜1-7的垂直方向设有四象限探测器1-8，四象限探测器1-8采用四象限光电探测器，四象限探测器1-8探测二向色镜1-9反射的红光，该红光信号用于对准光路；光电探测器1-7和四象限探测器1-8都位于菲涅尔透镜1-4的焦点上，在收发室1-1的后侧还设有光纤接口和电缆接口1-5。

需要注意的是，四象限探测器1-8能够检测角反射对准装置2发射的红光光斑2-3，用于光路精密对准。四象限探测器1-8的四个象限(图6中的标号1/2/3/4)输出电流信号I1、I2、I3、I4，通过电压转换得到电压信号U1、U2、U3、U4，伺服控制电路采集、数据处理得到红光光斑2-3中心偏移信息Δx、Δy(如图6所示，红光光斑2-3水平方向与中心点的偏移距离，以及竖直方向与中心点的偏移距离)，Δx、Δy的计算公式见下公式(1)和式(2)，为消除光斑自身功率变化的影响，信号处理时需扣除四象限输出光电流之和。

参照图5，角反射对准装置2由四组小角反射镜2-1排列组成(如图5所示)。小角反射镜数量由光程远近确定，光程长时，增加小角反射镜数量；角反射对准装置2中间位置设有一个红光发射头2-2，红光发射头2-2通过准直透镜发射红光光源。

需要注意的是，伺服控制电路通过红光光斑2-3中心偏移信息Δx、Δy，并依次为依据调节三维旋转云台的水平和垂直电机，当红光光斑2-3中心偏移信息Δx<设置阈值、Δy<设置阈值时(此处的阈值根据工作人员所需以及现场实际情况进行设定，本申请不做限定)，停止调节，完成光路对准。

本申请涉及两条光路分别为：

(1)激光收发装置1发射近红外光(图7中的光路3)作用到角反射对准装置2，后通过小角反射镜2-1原路径返回到激光收发装置1(图7中的光路5)，并通过激光收发装置1内的菲涅尔透镜1-4聚焦到光电探测器1-7上，该红外光信号用于气体浓度反演，光电探测器1-7检测该红外激光信号。

(2)同时，角反射对准装置2中心的红光发射头2-2发射红光到激光收发装置1(图7中的光路4)，并通过准直透镜1-6聚焦，后通过二向色镜1-9反射到四象限探测器1-8上，四象限探测器1-8安装在二向色镜1-9垂直方向，探测二向色镜1-9反射的红光，该红光信号用于对准光路。

需要注意的是，激光收发装置1接收的近红外光和角反射对准装置2中心发射的红光同轴(图7中的光路5和光路4)。

本申请具体的操作原理如下：将激光收发装置1安装在监测点，在距离激光收发装置1距离几十至几百米位置和不同方向分别安装角反射对准装置2A、反射对准装置2B和反射对准装置2C(参照图7)，该区域覆盖的范围是待测区域。

测量开始前，首先进行对准角反射对准装置2A、2B和2C的安装。调整激光收发装置1分别对准角反射对准装置2A、2B和2C，激光收发装置1发射红外激光束(图7中的光路3)至角反射对准装置2A-2C，并接收反射的红外激光束(图7中的光路5)。再分别调节角反射对准装置2A-2C发射的红光(图7中的光路4)对准激光收发装置1，确保激光束3、激光束5和红光4同轴。

关闭伺服控制电路的自动巡航模式，通过手动调节三维旋转云台，记录旋转云台水平和垂直步进电机的方向和驱动脉冲参数。设置激光收发装置1初始角度对准角反射对准装置2A，手动设置伺服控制电路参数驱动水平和垂直步进电机，使激光收发装置1顺序对准角反射对准装置2B、角反射对准装置2C、角反射对准装置2B、角反射对准装置2A，完成一个周期的扫描，并分别记录水平和垂直步进电机的方向和驱动脉冲参数。

启动伺服控制电路的自动巡航模式，激光收发装置1根据伺服控制电路存储的三维旋转云台方向和驱动脉冲参数周期粗调到角反射对准装置2A-2C，并通过四象限探测器1-8对红光光斑2-3的探测反馈控制三维旋转云台实现光路的精准对准。

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；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种扫描式气体激光检测系统的光路对准装置，其特征在于，包括激光收发装置(1)和设在激光收发装置(1)外侧的角反射对准装置(2)；

所述激光收发装置(1)包括有收发室(1-1)，其中收发室(1-1)的前端设有菲涅尔透镜(1-4)，收发室(1-1)的后部相对于菲涅尔透镜(1-4)设有二向色镜(1-9)，所述二向色镜(1-9)的水平方向设有光电探测器(1-7)，二向色镜(1-7)的垂直方向设有四象限探测器(1-8)；

所述光电探测器(1-7)检测角反射对准装置(2)发射的红外激光信号，所述四象限探测器(1-10)检测角反射对准装置(2)发射的红光光斑。

2.根据权利要求1所述的一种扫描式气体激光检测系统的光路对准装置，其特征在于：所述收发室(1-1)的前端设有保护筒(1-2)。

3.根据权利要求1所述的一种扫描式气体激光检测系统的光路对准装置，其特征在于：所述收发室(1-1)的后端设有光纤接口和电缆接口(1-5)。

4.根据权利要求1所述的一种扫描式气体激光检测系统的光路对准装置，其特征在于：所述角反射对准装置(2)包括有若干组等距排列的小角反射镜(2-1)，所述角反射对准装置(2)的中间位置设有红光发射头(2-2)。

5.根据权利要求1所述的一种扫描式气体激光检测系统的光路对准装置，其特征在于：所述四象限探测器(1-10)的四个象限输出电流信号为I1、I2、I3和I4，且能够转换成电压信号为U1、U2、U3和U4，并采集、信号处理后得到代表光斑中心偏移信息的Δx、Δy，其中Δx、Δy的计算公式如下；

6.根据权利要求1所述的一种扫描式气体激光检测系统的光路对准装置，其特征在于：所述激光收发装置(1)发射近红外光作用到角反射对准装置(2)，后通过小角反射镜(2-1)原路径返回，并通过菲涅尔透镜(1-4)聚焦到光电探测器(1-7)上。

7.根据权利要求1所述的一种扫描式气体激光检测系统的光路对准装置，其特征在于：所述角反射对准装置(2)中心的红光发射头(2-2)发射红光到激光收发装置(1)，通过准直透镜(1-6)后并发射，后通过二向色镜(1-9)反射到四象限探测器(1-8)上。

8.根据权利要求1所述的一种扫描式气体激光检测系统的光路对准装置，其特征在于：所述激光收发装置(1)接收的近红外光和角反射对准装置(2)中心发射的红光同轴。

9.根据权利要求1所述的一种扫描式气体激光检测系统的光路对准装置，其特征在于：所述收发室(1-1)的外侧设有支撑架(1-3)，其中支撑架(1-3)的底部安装旋转云台。

10.根据权利要求1所述的一种扫描式气体激光检测系统的光路对准装置，其特征在于：所述四象限探测器(1-8)采用四象限光电探测器。