CN2849726Y - 基于光声原理采用量子级联激光器的气体检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光声光谱气体分析领域，具体涉及一种基于光声原理采用量子级联激光器的气体检测装置，由量子级联激光器、多光程装置、光声池、微音器、红外探测器、装置电源、控制装置、数据采集器、质量流量计组成，多光程装置内设有红外光学透镜，光声池内壁为呈圆柱形的光声池镀金管，微音器固定于光声池镀金管内；装置电源由控制器电源、执行器电源、光源电源组成，放大器为二片，分别固定于光声池的上端和红外探测器一侧；光声池外围的进气孔、出气孔分别连接两个电池阀，采气泵的一端连接电磁阀，另一端连接质量流量计；控制装置连接数据采集器，由电磁阀控制器、采气泵控制器、质量流量计控制器组成，数据采集器连接微机的控制系统。本实用新型具有灵敏度高，时间响应块，且能连续测量等优点，可以实现火灾的早期报警及微量有毒有害气体泄漏的快速、准确探测。

Description

基于光声原理采用量子级联激光器的气体检测装置

技术领域

本实用新型属于光声光谱气体分析领域，具体涉及一种基于光声原理采用量子级联激光器的气体检测装置。

背景技术

在火灾探测、报警技术方面，由于各种固体可燃物多为有机物，在火灾发生的早期阶段会产生CO等气体，而CO等气体的高灵敏度测量，目前仍然是激光光谱研究领域的前沿和热点，最主要的原因是在中红外光谱区，很难找到合适的激光光源，如果用非相干光源，光谱测量的灵敏度很难有数量级的提高，近年来，随着半导体光电子器件的发展，出现了基于量子(包括量子线、量子点)效应的半导体激光器，这种激光器的发光不再是在导带与价带之间的电子跃迁，而是可以在带内的不同量子态之间跃迁，激光的波长可以任意选。目前能够做这种激光器的只有瑞士的Alpes Laser公司。采用该量子级联(QCL)激光器，CO测量的灵敏度可以达到几个ppm的数量级甚至更低。寻求一种基于光声原理采用量子级联的气体检测装置是本领域人员的研究目标。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、紧凑、体积小、灵敏度高、可便携式的基于光声原理采用量子级联激光器的气体检测装置。

本实用新型提出的一种基于光声原理采用量子级联激光器的气体检测装置，主要由量子级联激光器1、多光程装置3、光声池4、微音器5、红外探测器6、装置电源8、控制装置9、基座10、数据采集器14、质量流量计25、微机26组成，其中，量子级联激光器1、多光程装置3、光声池4、红外探测器6、装置电源8、控制装置9分别固定于基座上，多光程装置3内设有红外光学透镜2，光声池4中空，其内壁为呈圆柱形的光声池镀金管19，微音器5固定于光声池镀金管19内；装置电源8由放大器15、控制器电源16、执行器电源17、光源电源18组成，放大器15为二片，其中一片分别固定于光声池6的上端，另一片放大器15固定于红外探测器6一侧；光声池4外围分别设有进气孔23、出气孔24；电池阀12为两个，分别连接光声池4的进气孔23、出气孔24；采气泵13的一端连接电磁阀12，另一端连接质量流量计25；控制装置9连接数据采集器14，由电磁阀控制器20、采气泵控制器21、质量流量计控制器22组成，数据采集器14连接微机26的控制系统；量子级联激光器1的出光口对准红外光学透镜2，红外光学透镜2的出光口对准光声池4，光声池4的出光口对准红外探测器6。

本实用新型中，控制器电源16分别连接放大器15、多光程装置3、电磁阀控制器20、采气泵控制器21、质量流量计控制器22；执行器电源17连接电磁阀12；光源电源18连接量子级联激光器1。

本实用新型中，控制装置9中的电磁阀控制器20连接电磁阀12，采气泵控制器21连接采气泵13，质量流量计控制器22连接质量流量计25。

本实用新型中，外壳7通过螺栓与基座10相连。

本实用新型中，外壳7底部设有减震塑料垫脚11。

本实用新型中，红外光学透镜2为2片。

本实用新型中，光声池4外部可以采用铝材料，主要考虑导热性好(与不锈钢比较)，重量轻，内部为光声池镀金管，可以采用黄铜材料，其内壁采用圆柱形结构，并经过抛光镀金，同时光声池镀金管内壁中央上下各放置了一只高精度微音器5。

本实用新型中，光源采用量子级联(QCL)激光器1，利用量子级联(QCL)激光器1与普通红外光源比有其无可比拟的优点，其优点在于功率大、波长选择性好，不需要滤光片和斩波器，有效地减低了装置整体结构的复杂性，也大大提高了气体检测的灵敏度。

本实用新型中，量子级联(QCL)激光器1发出的激光透过装有两片红外光学透镜2的多光程装置3进入光声池4内。多光程装置2内安装有两片红外光学透镜2主要是对激光进行两次聚焦，使得激光光源能够大部分进入光声池4内，有效地避免了漏光而导致灵敏度下降。

本实用新型中，光声池4外部可以采用铝材料，主要考虑导热性好(与不锈钢比较)，重量轻，内部为光声池镀金管，可以采用黄铜材料，其内壁采用圆柱形结构，并经过抛光镀金，同时光声池镀金管内壁中央上下各放置了一只高精度微音器5。

本实用新型中，装置电源8包括放大器及控制器电源、执行器电源和光源电源四个部分，其中放大器及控制器电源由变压器经整流滤波给出，分别供给微音器5前置运放、红外探测器6前置运放、电磁阀控制、采气泵控制、质量流量计控制和工作状态指示灯控制。执行器电源由独立的开关电源给出，采取浮地的方式供给电磁阀。光源电源由独立的开关电源给出，采取浮地的方式供给光源。

本实用新型工作时有两种状态：主动采气和被动采气，对常压气体样品进行检测时，可以外接采气管，利用QCL的光声光谱气体检测装置中的采气泵主动采集气体样品；对正压气体样品进行检测时关闭采气泵即可实现被动采气，并且可以利用质量流量控制计实现流速和成分比例的控制。气体浓度测量的过程为：装置开机初始化，包括锁相放大器初始化，量子级联(QCL)激光器预热等准备工作。激光器1发出的激光透过装有两片红外光学透镜2的多光程装置3，多光程装置3内安装有两片红外光学透镜2主要是对激光进行两次聚焦，使得激光光源能够大部分进入光声池4内，光声池内的被测气体吸收激光辐射能量而产生压力波，由微音器转换成电信号，再通过电脑计算得出相应的气体浓度电脑通过程序或者操作指令，气体通过采气泵的采集，进入电磁阀，而后气体从进入光声池4，由于气体的振动带动微音器5发出声音，进行光声测量时关闭气阀开关。用标准气体对装置进行标定，通过微机-AD/DA数据采集器-质量流量控制计来控制气体的进气流量和配比，从而可以用已知浓度的气体来标定装置。

本实用新型采用量子级联(QCL)激光器作为红外光源，具有检测灵敏度高、气体选择性好、可靠性高和响应速度快等诸多优点，可以实现火灾的早期报警及微量有毒有害气体泄漏的快速、准确探测。

附图说明

图1为本实用新型的结构图示。

图2为本实用新型的装置电源的结构图示。

图3为本实用新型的控制装置的结构图示。

图中标号：1为量子级联(QCL)激光器，2为红外光学透镜，3为多光程装置，4为光声池，5为微音器，6为红外探测器，7为外壳，8为装置电源，9为控制装置，10为基座，11为减震塑料垫脚，12为电磁阀，13为采气泵，14为数据采集器，15为放大器，16为控制器电源，17为执行器电源，18为光源电源，19为光声池镀金管，20为电磁阀控制器，21为采气泵控制器，22为质量流量计控制器，23为光声池的进气孔，24为光声池的出气孔，25为质量流量计，26为微机。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本实用新型。

实施例1，将下列各部件按图1-图3所示方式连接，该领域的技术人员均能顺利实施。光源为量子级联(QCL)激光器1，其型号为RT-DFB-QCL-2，量子级联(QCL)激光器1发出的激光透过装有两片红外光学透镜2的多光程装置3进入光声池4内，光声池4内的被测气体吸收激光辐射能量而产生压力波，光声池镀金管19采用黄铜材料，其内壁采用圆柱形结构，并经过抛光镀金，其尺寸为直径14mm，长为50mm的圆柱形。微音器5的型号为EK3133微音器将光信号转换成电信号，再通过电脑计算得出相应的气体浓度。红外探测器的型号为kT-3130，固定于基座上，通过测量激光的光功率来随时调节前端量子级联(QCL)激光器1的功率，使得量子级联(QCL)激光器1发出的激光尽可能的稳定。装置电源8由放大器及控制器电源、执行器电源和光源电源三部分组成；控制装置9由电磁阀控制、采气泵控制、质量流量计控制和工作状态指示灯控制组成。电磁阀采用的是2P025-06-DC12V电磁阀，采气泵采用8032系列膜片式电磁泵，质量流量计的型号是D07-12A。整个装置由仪器罩壳7罩着，仪器罩壳7材料采用1mm厚铝板，基座10采用15mm厚铝板，底部并安装有减震塑料垫脚11。本实用新型可以实现火灾的早期报警及微量有毒有害泄漏气体快速、准确的探测。

Claims (6)

1、一种基于光声原理采用量子级联激光器的气体检测装置，主要由量子级联激光器(1)、多光程装置(3)、光声池(4)、微音器(5)、红外探测器(6)、装置电源(8)、控制装置(9)、基座(10)、数据采集器(14)、质量流量计(25)、微机(26)组成，其特征在于量子级联激光器(1)、多光程装置(3)、光声池(4)、红外探测器(6)、装置电源(8)、控制装置(9)分别固定于基座(10)上，多光程装置(3)内设有红外光学透镜(2)，光声池(4)中部空心，其内壁为呈圆柱形的光声池镀金管(19)，微音器(5)固定于光声池镀金管(19)内；装置电源(8)由放大器(15)、控制器电源(16)、执行器电源(17)、光源电源(18)组成，放大器(15)为二个，其中一个固定于光声池(6)的上端，另一个放大器(15)固定于红外探测器(6)一侧；光声池(4)外围分别设有进气孔(23)、出气孔(24)；电池阀(12)为两个，分别连接光声池(4)的进气孔(23)、出气孔(24)；采气泵(13)的一端连接电磁阀(12)，另一端连接质量流量计(25)；控制装置(9)连接数据采集器(14)，由电磁阀控制器(20)、采气泵控制器(21)、质量流量计控制器(22)组成，数据采集器(14)连接微机(26)的控制系统；量子级联激光器(1)的出光口对准红外光学透镜(2)，红外光学透镜(2)的出光口对准光声池(4)，光声池(4)的出光口对准红外探测器(6)。

2、根据权利要求1所述的基于光声原理采用量子级联激光器的气体检测装置，其特征在于控制器电源(16)分别连接放大器(15)、电磁阀控制器(20)、采气泵控制器(21)、质量流量计控制器(22)；执行器电源(17)连接电磁阀(12)；光源电源(18)连接量子级联激光器(1)。

3、根据权利要求1所述的基于光声原理采用量子级联激光器的气体检测装置，其特征在于控制装置(9)中的电磁阀控制器(20)连接电磁阀(12)，采气泵控制器(21)连接采气泵(13)，质量流量计控制器(22)连接质量流量计(25)。

4、根据权利要求1所述的基于光声原理采用量子级联激光器的气体检测装置，其特征在于罩壳(7)通过螺栓与基座(10)相连。

5、根据权利要求1所述的基于光声原理采用量子级联激光器的气体检测装置，其特征在于罩壳(7)底部设有减震塑料垫脚(11)。

6、根据权利要求1所述的基于光声原理采用量子级联激光器的气体检测装置，其特征在于红外光学透镜(2)为2片。

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