CN105043582A - 基于扩束聚焦***的tdlas气体测温检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种基于扩束聚焦***的TDLAS气体测温检测装置。该装置由电源与激光器、激光驱动器、激光信号发生器、激光信号调试器相互连接，激光发出光经单模光纤传输，两束激光合成一束光经光纤准直器平行后在经扩束镜筒扩束后射出，检测外界燃烧中气体温度后射出的光经平凸透镜聚集到积分球及光电探测器后光信号转变电信号，仪器装置后端信号传输线连接计算机并处理相关信号图像计算其温度值。本发明测量结果精确度较好，操作简便，安装测试简易，适用于检测室内外燃烧区域略小或小型工业化火焰燃烧场，对测量燃烧场提供温度数据支持。

Description

基于扩束聚焦***的TDLAS气体测温检测装置

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种基于扩束聚焦***的TDLAS气体测温检测装置。

背景技术

随着科学的发展，社会的进步，社会生产过程中产品检测技术不断提高，由原来的机械性质的检测手段逐步推进到光电技术的检测手段，其中气体检测为当下最为前言具有社会市场的检测手段，对气体燃烧中的温度及含量进行实时监控测量，主要应用于小型工程化燃烧设备的温度检测。原有的机械测量温度设备指标较低，精确度低，测量范围小，基本不能满足工业化的高温作业要求。对于光电检测技术，激光检测精度高，误差小，装置设计调试简易，操作简便，维护周期较长，基本满足工业生产检测需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种基于扩束聚焦***的TDLAS气体测温检测装置。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于扩束聚焦***的TDLAS气体测温检测装置，所述测温检测装置以燃烧气体场为中心划分为两部分；位于燃烧气体场一侧的为光源发射端，位于燃烧气体场另一侧的为光源接收端；且，燃烧气体场空间由耐高温玻璃14形成，且其上设有燃烧检测口8；

所述光源发射端包括：电源、第一激光器2a、第二激光器2b、激光信号调试器3、激光信号发生器4、单模光纤13、激光合束器5、光纤准直器6、激光扩束镜筒7；其中，所述第一激光器2a自带有第一激光驱动器，所述第二激光器2b自带有第二激光驱动器；所述光源接收端包括：平凸透镜9、积分球11、第一光电探测器、第二光电探测器、第一光电转换器10a、第二光电转换器10b、光电变换器信号转换线12；

所述第一激光器2a、第二激光器2b、激光信号发生器4、激光信号调试器3的电源线接口相互连接并统一连接至电源的供电接口电源线1；所述激光信号发生器4分别连接第一激光驱动器、第二激光驱动器以及激光信号调试器3；所述单模光纤13分别连接第一激光器2a输出端口、第二激光器2b输出端口以及激光合束器5输入端口；所述激光合束器5输入端口分别连接第一激光器2a及第二激光器2b各自传输的单模光纤13；所述光纤准直器6连接在激光合束器5后端输出端；激光扩束镜筒7连接在光纤准直器6后端输出端；

所述平凸透镜9位于燃烧气体场中相对于光源发射端的另一侧，位于光源接收端的前端，且处于所述激光扩束镜筒7的出射路径上，平凸透镜9中心位置与激光扩束镜筒7中心位置共轴；所述积分球11位于平凸透镜9后端，且平凸透镜9焦距位置在积分球11入光孔径中；积分球11内部有一进光口及两路出光口，根据所述第一激光器2a及第二激光器2b的激光波长不同进行滤光片分光，使得由一束光经积分球11滤光片进行分光，分出各自频率光有出光口各自打出；在积分球11两个出光口处各自设置有光电探测器，分为第一光电探测器及第二光电探测器，第一光电探测器连接第一光电转换器10a，第二光电探测器连接第二光电转换器10b；且第一光电转换器10a响应波段与第一激光器2a工作波段相匹配，第二光电转换器10b响应波段与第二激光器2b工作波段相匹配，第一光电转换器10a和第二光电转换器10b后端通过光电变换器信号转换线12连接计算机；其中，所述光纤准直器6发出的激光束、平凸透镜9、积分球11入光口径三者在同一光轴各自中心对称。

(三)有益效果

与现有技术相比较，本发明提供的基于扩束聚焦***的TDLAS气体测温检测装置，装置内部采用高能半导体可协调激光器作为工作光源，利用光学光线扩束与透镜聚焦原理，检测待测燃烧气体的温度，测量精确度高，设备调试简易，操作简便。

本发明的有益效果：采用高能半导体可协调激光器作为工作光源，激光器在特定波动可变频探测，探测范围精确较宽，光束聚集性较好。测量结果精确度高，散失能量较小，装置搭建简易、操作简便、携带方便，适用于小型工程化燃烧设备的温度检测。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明外形图。

图中：1-电源线；2a-第一激光器(自带第一激光驱动器)；2b-第二激光器(自带第二激光驱动器)；3-激光信号调试器；4-激光信号发生器；5-激光合束器；6-光纤准直器；7-激光扩束镜筒；8-燃烧检测口；9-平凸透镜；10a-第一光电转换器；10b-第二光电转换器；11-积分球；12-光电变换器信号转换线；13-单模光纤；14-耐高温玻璃；15-外壳。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为解决现有技术的问题，本发明提供一种基于扩束聚焦***的TDLAS气体测温检测装置，如图1及图2所示，所述测温检测装置以燃烧气体场为中心划分为两部分；位于燃烧气体场一侧的为光源发射端，位于燃烧气体场另一侧的为光源接收端；且，燃烧气体场空间由耐高温玻璃14形成，且其上设有燃烧检测口8；

所述光源发射端包括：电源、第一激光器2a、第二激光器2b、激光信号调试器3、激光信号发生器4、单模光纤13、激光合束器5、光纤准直器6、激光扩束镜筒7；其中，所述第一激光器2a自带有第一激光驱动器，所述第二激光器2b自带有第二激光驱动器；所述光源接收端包括：平凸透镜9、积分球11、第一光电探测器、第二光电探测器、第一光电转换器10a、第二光电转换器10b、光电变换器信号转换线12；

所述第一激光器2a、第二激光器2b、激光信号发生器4、激光信号调试器3的电源线接口相互连接并统一连接至电源的供电接口电源线1；所述激光信号发生器4分别连接第一激光驱动器、第二激光驱动器以及激光信号调试器3；所述单模光纤13分别连接第一激光器2a输出端口、第二激光器2b输出端口以及激光合束器5输入端口；所述激光合束器5输入端口分别连接第一激光器2a及第二激光器2b各自传输的单模光纤13；所述光纤准直器6连接在激光合束器5后端输出端；激光扩束镜筒7连接在光纤准直器6后端输出端；

所述平凸透镜9位于燃烧气体场中相对于光源发射端的另一侧，位于光源接收端的前端，且处于所述激光扩束镜筒7的出射路径上，平凸透镜9中心位置与激光扩束镜筒7中心位置共轴；所述积分球11位于平凸透镜9后端，且平凸透镜9焦距位置在积分球11入光孔径中，目的是确保所有激光束经聚焦后全部进入积分球11；积分球11内部有一进光口及两路出光口，根据所述第一激光器2a及第二激光器2b的激光波长不同进行滤光片分光，使得由一束光经积分球11滤光片进行分光，分出各自频率光有出光口各自打出；在积分球11两个出光口处各自设置有光电探测器，分为第一光电探测器及第二光电探测器，第一光电探测器连接第一光电转换器10a，第二光电探测器连接第二光电转换器10b；且第一光电转换器10a响应波段与第一激光器2a主要工作波段相匹配，第二光电转换器10b响应波段与第二激光器2b主要工作波段相匹配，第一光电转换器10a和第二光电转换器10b后端通过光电变换器信号转换线12连接计算机，并实时在计算机中传输转换电信号图像；其中，所述光纤准直器6发出的激光束、平凸透镜9、积分球11入光口径三者在同一光轴各自中心对称，目的保障光路***稳定光信号不失真；

工作过程中，装置内部电源为整体检测设备提供电压，在供电的基础上打开含激光驱动器的激光器、激光信号调试器及激光信号发生器，其中激光信号发生器设定给出在相对检测气体频率基准值，并对激光信号调试器中在基准值附近频率及待测气体重点采集的波长范围并加载锯齿波信号进行调试。调试后的激光束发出的光信号与调试时一致。激光在单模光纤传输后在光纤出光口进行光线的准直后光束在扩束镜筒中转换为平行宽光束，穿过燃烧场壁的耐高温玻璃后经平凸透镜折射聚焦到积分球中，光束在积分球出***出打在相应的光电探测器及光电变换器中，在计算机中转换成电信号进行数据采集处理计算出气体实时温度数据。

其中，所述气体测温检测装置的矩形外壳15部分材料选取为耐高温，内部器件壁四周有防护隔热层，使得器件在内部常温下正常工作，外部耐高温防止气体燃烧中外部变形。

其中，在激光器的选取中，根据所待检测燃烧场气体的波长谱线范围来确定激光器的工作主要工作波段，其中选取的激光器在主要工作波段要与检测气体波段一致，波长浮动范围略高于涵盖待测波段，目的是在信号调谐波长中更能扩大找到待测波长浮动的确定范围值。

其中，激光器选取为两种待测气体吸收波长的激光器，目的对两路激光信号进行比对计算确定温度。

其中，在激光的传输过程中，应用单模光纤，且光纤传输与激光器匹配，单模光纤传输距离远，信号传输稳定，衰减略低，符合工程化所需。

其中，两路激光器传输的光纤经激光合束器，结合成一束两种波长模式的激光。

其中，激光合束器的光纤出射端口连接激光准直器，目的在于激光束射出为平行光。

其中，激光扩束镜筒连接在激光准直器出射端，目的使得平行光束变换为较宽的圆柱型光束，聚集焦点光的效果强度明显。

其中，检测装置中的燃烧口壁两侧为耐高温玻璃，却高温燃烧后，无变形，折射率一定。

其中，所检测每一种气体的燃烧成分谱线都要选取相应匹配波长激光器并对内部光路***调试后固定器件及外部工装后在进行燃烧检测。

此外，根据所述气体测温检测装置来实施的气体测温检测方法包括如下步骤：

步骤S1：将燃烧检测口8套在燃烧气体场区域并与之固定；

步骤S2：将光电转换器10后端的光电变换器信号转换线12连接计算机；

步骤S3：电源供电后，所述第一激光器2a、第二激光器2b、激光信号发生器4、激光信号调试器3开启；

步骤S4：激光信号发生器4根据激光器固有的波长、频率属性参数，匹配设定相对检测气体的激光频率基准值，生成初始激光信号发生指令，至第一激光驱动器及第二激光驱动器来驱动第一激光器2a及第二激光器2b生成初始激光束；

步骤S5：激光信号调试器3对基准值附近的激光频率及待测气体需重点采集的激光波长范围进行加载锯齿波信号的调试，使得调试后的激光束发出的光信号与调试时一致；然后生成修正信号至激光信号发生器4；所述激光信号发生器4根据修正信号生成修正后激光信号发生指令，至第一激光驱动器及第二激光驱动器来驱动第一激光器2a及第二激光器2b生成频率、波长修正后的激光束；此时第一激光器2a及第二激光器2b开始发出所需要波长的激光；

步骤S6：单模光纤13将所述第一激光器2a及第二激光器2b输出的激光传输至激光合束器5；

步骤S7：激光合束器5将两路单模光纤13传输来的激光经前端合束并在后端结合成一束两种波长模式的激光束；

步骤S8：光纤准直器6通过准直透镜将发出微小形变的激光束进行折射校正，在光纤准直器6后端发出准直后激光束；

步骤S9：准直后激光束通过激光扩束镜筒7转换为平行宽光束；

步骤S10：平行宽光束在经过燃烧气体场的耐高温玻璃14后进入平凸透镜9中，准直平行后的宽光束束在通过燃烧气体场后光束出现微小偏折，经平凸透镜9折射聚光后使激光束重新汇聚至积分球11中；

步骤S11：积分球11分开合束后的两束各自不同波长的激光束；

步骤S12：经积分球11分开的各自不同波长频率的两路激光束聚焦到的光点进入到第一光电探测器及第二光电探测器的入光敏元孔中，经过第一光电探测器、第二光电探测器及其后端的第一光电转换器10a、第二光电转换器10b各自进行光电变换，把光信号转变为电信号输出，在后端计算机中进行数据采集处理计算出气体实时温度数据；

步骤S13：根据计算机测温处理软件，提取两路电信号锯齿波形吸收峰区域面积，进行比对处理运算，得到燃烧场待测温度值；

步骤S14：多次测量取待测气体燃烧的平均值，以减少误差，提高精度。

下面结合具体实施例来详细描述本发明。

实施例

如图1所示，本发明提供一种基于扩束聚焦***的TDLAS气体测温检测装置，其内部由电源、激光器2、激光驱动器、激光信号发生器4、激光信号调试器3、单模光纤、光线合束器、光纤准直器6、激光扩束镜筒7、耐高温玻璃14、平凸透镜9、积分球11、光电探测器、光电转换器相关连接组成。内部激光器、激光驱动器、激光信号发生器、激光信号调制器相互正确连接且并与电源线连接，单模光纤与两激光器各自连接，光纤合束器连接到两单模光纤中使两路激光合成一路激光束。合成的一路光纤激光束与光纤准直器连接，光纤准直器出射端与激光扩束镜筒相连接，并锁定固定光纤准直器与激光扩束镜筒，燃烧口两侧壁上装有耐高温玻璃防护，在燃烧口后放置平凸透镜，透镜中心位置与光纤准直器和激光扩束镜筒中心位置一致(共轴)并固定，积分球中进光口位置放置在平凸透镜后端且安置在其平凸透镜焦距位置且进光口径中心位置与透镜中心位置与光纤准直器及激光扩束镜筒中心位置三者一致(共轴)，并固定积分球。积分球两出光口与两个光电探测器的光敏元部分相连接固定，整体装置内部与外部工装位置确定后固定，装置末端的光电变换器中的两个数据信号转换线与计算机设备连接，完成整体***连接。

本实施例中，该装置采取的激光器为较大功率半导体可协调激光器，能量较高，在检测中有效传过燃烧待测区域，激光扩束镜筒将待检测激光形状变宽成筒状，有利于大面积通过平凸透镜对通过燃烧场光束的接收装置提供了较高能量信号的汇聚接收点，且同时内部积分球分光元件和光电变换器工作相应范围相匹配，采集获得信号有利于计算机处理。

此外，本实施例另提供一种基于扩束聚焦***的TDLAS气体测温检测方法可按照以下步骤进行操作：

第一步：将设备燃烧检测口套在气体火焰燃烧区域并与之固定。

第二步：将设备后端信号线连接至计算相应机设备中。

第三步：固定好装置开启电源，并调节激光信号发生器和激光信号调试器的工作波长后激光器在激光驱动器的作用下发出特定波长激光设备开始工作。

第四步：根据计算机测温处理软件，提取两路电信号锯齿波形吸收峰区域面积，进行比对处理运算，得到燃烧场待测温度值。

第五步：多次测量取待测气体燃烧的平均值，减少误差，提高精度。

本发明采用激光器为较大功率半导体可协调激光器用为检测光源，光束经扩束聚集光焦点能量高，传输过程中散失光强较小，从而为更好的采集经燃烧场穿出的光信号，光电变换器响应探测该待测气体波段的灵敏度符合该气体波段工作需要。气体测温装置整体连接简易，操作简单，实时处理数据的测量精度较高，使用周期较长，便于小规模工程现场测试检测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于扩束聚焦***的TDLAS气体测温检测装置，其特征在于，所述测温检测装置以燃烧气体场为中心划分为两部分；位于燃烧气体场一侧的为光源发射端，位于燃烧气体场另一侧的为光源接收端；且，燃烧气体场空间由耐高温玻璃(14)形成，且其上设有燃烧检测口(8)；

所述光源发射端包括：电源、第一激光器(2a)、第二激光器(2b)、激光信号调试器(3)、激光信号发生器(4)、单模光纤(13)、激光合束器(5)、光纤准直器(6)、激光扩束镜筒(7)；其中，所述第一激光器(2a)自带有第一激光驱动器，所述第二激光器(2b)自带有第二激光驱动器；所述光源接收端包括：平凸透镜(9)、积分球(11)、第一光电探测器、第二光电探测器、第一光电转换器(10a)、第二光电转换器(10b)、光电变换器信号转换线(12)；

所述第一激光器(2a)、第二激光器(2b)、激光信号发生器(4)、激光信号调试器(3)的电源线接口相互连接并统一连接至电源的供电接口电源线(1)；所述激光信号发生器(4)分别连接第一激光驱动器、第二激光驱动器以及激光信号调试器(3)；所述单模光纤(13)分别连接第一激光器(2a)输出端口、第二激光器(2b)输出端口以及激光合束器(5)输入端口；所述激光合束器(5)输入端口分别连接第一激光器(2a)及第二激光器(2b)各自传输的单模光纤(13)；所述光纤准直器(6)连接在激光合束器(5)后端输出端；激光扩束镜筒(7)连接在光纤准直器(6)后端输出端；

所述平凸透镜(9)位于燃烧气体场中相对于光源发射端的另一侧，位于光源接收端的前端，且处于所述激光扩束镜筒(7)的出射路径上，平凸透镜(9)中心位置与激光扩束镜筒(7)中心位置共轴；所述积分球(11)位于平凸透镜(9)后端，且平凸透镜(9)焦距位置在积分球(11)入光孔径中；积分球(11)内部有一进光口及两路出光口，根据所述第一激光器(2a)及第二激光器(2b)的激光波长不同进行滤光片分光，使得由一束光经积分球(11)滤光片进行分光，分出各自频率光有出光口各自打出；在积分球(11)两个出光口处各自设置有光电探测器，分为第一光电探测器及第二光电探测器，第一光电探测器连接第一光电转换器(10a)，第二光电探测器连接第二光电转换器(10b)；且第一光电转换器(10a)响应波段与第一激光器(2a)工作波段相匹配，第二光电转换器(10b)响应波段与第二激光器(2b)工作波段相匹配，第一光电转换器(10a)和第二光电转换器(10b)后端通过光电变换器信号转换线(12)连接计算机；其中，所述光纤准直器(6)发出的激光束、平凸透镜(9)、积分球(11)入光口径三者在同一光轴各自中心对称。