CN106483071A - 一种气体探测器及其吸收池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气体探测器及其吸收池，吸收池为平‑凹光学谐振腔，其光路分别在平面反射镜、凹面反射镜上形成的近端反射点、远端反射点均围绕谐振腔的光轴呈圆周分布，且入射光的入光结构与出射光的出光结构均设置于平面反射镜上，入光结构和出光结构的位置可以为在反射次序不同但位置重合的一个重合反射点上设置，也可以为近端反射点中的相互靠近的两个点。如此设置就能够使入射光的入光结构与出射光的出光结构之间的间距能够尽可能小。这样使用该吸收池，不仅能使气体检测器在径向方向上的尺寸变得更小，节省空间，实现结构小型化，便于携带；而且能使光线的光程在体积较小的光学谐振腔中变得更长，从而利于后续的气体检测工作。

Description

一种气体探测器及其吸收池
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，特别是涉及一种气体探测器及其吸收池。
背景技术
现有的气体浓度检测装置，如公告号为CN 205593914 U的中国专利文献“一种便携式污染气体浓度检测装置”，包括吸收池和设置在吸收池同侧的光发射器和光接收器以及与光接收器相连的检测装置，其中吸收池包括供待测气体进入的吸收池腔体，吸收池腔体内设有左右分布的近光源端反射镜、远光源端反射镜，近光源端反射镜、远光源端反射镜实际上构成了一个光学谐振腔，该光学谐振腔的光轴为左右延伸的水平轴线，具体的该现有技术中的光学谐振腔为凹-凹光学谐振腔，也即近光源端反射镜为一个凹面镜，远光源端反射镜为两个凹面镜，当然在其他的现有技术中，也可以将远光源端反射镜设为一个凹面镜。
现有技术中的凹-凹光学谐振腔构成的吸收池在使用时，光源发出的光束直接从近光源端反射镜的径向外侧的入口进吸收池，光束首先投射到远光源端反射镜，然后依次经远光源端反射镜、近光源端反射镜、远光源端反射镜……进行反射，产生光学谐振，通过这种光学谐振，使得光线的路程可以在体积较小的光学谐振腔中变得很长，从而利于后续的气体检测工作。
但是，由于上述现有技术中的入射光的入光结构(入光口)与出射光的出光结构(出光口)是分布在近光源端反射镜的径向上的相对两侧的，这就导致入射光的入光结构(入光口)与出射光的出光结构(出光口)之间的间距过大，进而使得光发射器与光接收器的间距设置的过大，导致气体检测设备在径向方向上的尺寸过大，使得探测设备结构存在体积大、重量重，结构复杂，无法在极端环境下使用(高温振动)，不易携带等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够减小入射光的入光结构与出射光的出光结构之间的间距的气体探测器的吸收池，同时提供使用该吸收池的气体探测器，且能实现在高温烟气中的原位测量。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种气体探测器的吸收池，包括吸收池腔体及吸收池腔体内左右设置的近光源端反射镜、远光源端反射镜，吸收池还包括入射光的入光结构、出射光的出光结构，在吸收池腔体内的近光源端反射镜、远光源端反射镜构成光轴为左右延伸的水平轴线的光学谐振腔，光学谐振腔的光路分别在近光源端反射镜、远光源端反射镜上形成近端反射点、远端反射点；所述近光源端反射镜、远光源端反射镜分别为平面反射镜和凹面反射镜，所述平面反射镜与凹面反射镜构成平-凹光学谐振腔，所述近端反射点、远端反射点均围绕光轴呈圆周分布，所述入光结构与出光结构均设置于平面反射镜上，入光结构和出光结构的位置处于近端反射点中反射次序不同但位置重合的一个重合点上或者处于近端反射点中的相互靠近的两个点上。
所述吸收池腔体外部设置有包裹吸收池腔体的防尘透气烧结金属网罩。
所述平面反射镜通过高温合金支撑杆与凹面反射镜固定在一起。
本发明的一种气体检测探器的技术方案，包括吸收池及设置于吸收池左侧的光发射器、光接收器，所述吸收池包括吸收池腔体及吸收池腔体内左右设置的近光源端反射镜、远光源端反射镜，吸收池还包括入射光的入光结构、出射光的出光结构，在吸收池腔体内的近光源端反射镜、远光源端反射镜构成光轴为左右延伸的水平轴线的光学谐振腔，光学谐振腔的光路分别在近光源端反射镜、远光源端反射镜上形成近端反射点、远端反射点；所述近光源端反射镜、远光源端反射镜分别为平面反射镜和凹面反射镜，所述平面反射镜与凹面反射镜构成平-凹光学谐振腔，所述近端反射点、远端反射点均围绕光轴呈圆周分布，所述入光结构与出光结构均设置于平面反射镜上，入光结构和出光结构的位置处于近端反射点中反射次序不同但位置重合的一个重合点上或者处于近端反射点中的相互靠近的两个点上。
气体探测器上于吸收池的左侧设置有供光线穿过的光路腔，所述光发射器与光接收器安装在光路腔左端。
所述吸收池腔体外部设置有包裹吸收池腔体的防尘透气烧结金属网罩。
所述平面反射镜通过高温合金支撑杆与凹面反射镜固定在一起。
还包括用于改变光束方向的折转镜片，使得光束向光轴方向聚拢；所述折转镜片设于吸收池的左端、或者设于光路腔的右端、或者隔设于吸收池腔体与光路腔之间，以使得在容光线通过的同时对吸收池腔体与光路腔进行密封阻隔。
所述折转镜片为折转棱镜。
本发明的吸收池为平-凹光学谐振腔，其光路分别在平面反射镜、凹面反射镜上形成的近端反射点、远端反射点均围绕平-凹光学谐振腔的光轴呈圆周分布，而且入射光的入光结构与出射光的出光结构均设置于平面反射镜上，具体的，入光结构和出光结构的位置可以为两种形式，第一种是在反射次序不同但位置重合的一个重合反射点上设置，另一种则选择近端反射点中的相互靠近的两个设置。如此设置就能够使入射光的入光结构与出射光的出光结构之间的间距能够尽可能小。这样使用该具有平-凹光学谐振腔的吸收池，一方面，使气体检测器在径向方向上的尺寸变得更小，节省占用的空间，实现结构的小型化，便于携带。另一方面，能够产生光学谐振，使得光线的路程可以在体积较小的光学谐振腔中变得更长，从而利于后续的气体检测工作。
进一步的，本发明中的气体探测器设置的折转棱镜，可用于改变光束方向，使光束向光轴聚拢，使得远距离设置的光发射器与光接收器之间的间距尽可能的小，节省径向方向的空间。同时，折转棱镜在容光线通过的同时对吸收池腔体与光路腔进行密封阻隔，使得当吸收池处于高温环境中时，由于处在高温的吸收池与光发射及光接收部分隔开，使得光发射及光接收部分不会受到温度的影响，保证了测量数据的准确性。
附图说明
图1为本发明的气体探测器的结构图；
图2为本发明的气体探测器的光路路径示意图；
图3为图2的左视图；
图4为折转棱镜的光路路径示意图的侧视图；
图5为折转棱镜的光路路径示意图的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
气体探测器实施例
图1为本发明的一种气体探测器的基本结构示意图，其包括吸收池及设置于气体探测器上于吸收池的左侧设置有供光线穿过的光路腔左端的光发射器7、光接收器8，且光路腔的外部包裹有薄壁支撑钢管9。
本实施例中的气体探测器还包括设置在供光线穿过的光路腔右端的折转棱镜5。
本实施例中的气体探测器的吸收池包括吸收池腔体及吸收池腔体内左右设置的近光源端反射镜、远光源端反射镜、入射光的入光结构(入光口)、出射光的出光结构(出光口)，在吸收池腔体内的近光源端反射镜、远光源端反射镜构成光轴为左右延伸的水平轴线的光学谐振腔。其中，近光源端反射镜、远光源端反射镜分别为平面反射镜1和凹面反射镜2，两反射镜通过高温合金支撑杆3固定在一起，并构成平-凹光学谐振腔；平-凹光学谐振腔的光路分别在***面反射镜1、远光源端反射镜2上形成的近端反射点D点、远端反射点E点，如图2所示，近端反射点D点的轨迹是围绕光学谐振腔的光轴呈正圆形分布，远端反射点E点的轨迹也是围绕光学谐振腔的光轴呈正圆形分布。
本实施例中的入射光的入光结构(入光口)与出射光的出光结构(出光口)均设置于平面反射镜1上，且入光结构(入光口)和出光结构(出光口)的位置处于近端反射点D中可以是反射次序不同但位置重合的一个重合点6上，如图1和3所示。
其中，图3为图2的光束路径左视图，两反射镜之间的光束路径为：1-1(in)→2-1→1-2→2-2→1-3→2-3→1-4→2-4→1-5→……→2-17→1-18→2-18→1-19→1-20(out)，其入光口为1-1(in)与出光口为1-20(out)是相重合的反射点，且近端反射点D点的圆周轨迹相比远端反射点E点的圆周轨迹要小。同时，光束经过40次反射后出射，在约300ml的体积内实现了十几米长光程的吸收，即本发明在占用最小体积的情形下，形成完整的长光程应用在光学延迟线服务TDLAS。
作为其他实施方式，本发明中的平面反射镜1的入光结构(入光口)与出光结构(出光口)也可以不在同一位置上，只要处于近端反射点中的相互靠近的两个点上即可，如光束可从1-1(in)入射，从1-16(out)出射，也能满足本发明的技术方案。
上述中的平面反射镜1的入光结构(入光口)与出光结构(出光口)的设置能够使入射光的入光结构与出射光的出光结构之间的间距能够尽可能小。这样在使用该具有平-凹光学谐振腔的吸收池，一方面，使气体检测器在径向方向上的尺寸变得更小，节省占用的空间，实现结构的小型化，便于携带。另一方面，能够产生光学谐振，使得光线的路程可以在体积较小的光学谐振腔中变得更长，从而利于后续的气体检测工作。
同时，本实施例中的吸收池腔体外部还包裹有烧结金属网罩4，不仅能够使待测气体自由通过，还可以达到防尘的效果。
如图2所示，光发射器7在出光位置A点发出的光束经折转棱镜5上的C点位置并通过平面反射镜1的入光结构(入光口)6入射至平-凹光学谐振腔，在平-凹光学谐振腔内进行多次反射后，经平面反射镜1的出光结构(出光口)6出射后经折转棱镜C点进行光束调理后，被光接收器8接收光束位置B点接收，即可实现气体的检测工作。本实施例中的光束在平-凹光学谐振腔中能够来回折返数十至数百次，其光束径迹长度将达到数十米，这样的长光程光路路径能够使光束充分被周围的气体吸收，能够提高待测气体的检测下限；同时，对于弱吸收的气体(如NH3,CO,O2等)，检测下限可至ppb量级。
再者，本实施例中的折转棱镜5主要用于对光发射器7发出的光束进行光束调理，以合适的角度经平面反射镜1入射到两反射镜构成的平-凹光学谐振腔中，多次反射后；使出射的光束能够准确的穿过平面反射镜，再经折转棱镜5处理后被光接收器8接收。即设置的折转棱镜主要是用于改变光束方向，使得远距离设置的光发射器7与光接收器8之间的间距尽可能的小，节省径向方向的空间。
作为其他实施方式，本发明的折转棱镜5也可以设置在吸收池的吸收池腔体的左端，当然也可以设置在光发射及光接收部分右端与吸收池部分左端之间的任意合适位置。
当检测高温环境的气体时，折转棱镜5能够在容光线通过的同时将处在高温环境的吸收池腔体与光路腔进行密封阻隔，这样光发射器及光接收器就不会受到温度的影响，保证了测量数据的准确性。
如图4和5所示，本实施例中的折转棱镜为五棱镜，图4为五棱镜的侧视图，图5为五棱镜的俯视图。当然，作为其他实施方式，折转棱镜也可以选取其他多棱镜，只要满足对光束的调理即可。同时，为了降低影响光束的噪音，将设置的折转棱镜5的前后通光表面5-1镀增透膜。作为其他实施方式，本发明的折转棱镜并不局限于棱镜，也可以是其他可以使光线向光轴聚拢的镜片，只要满足需要即可。
本实施例中的光发射器7可以为激光光源，只要光源发出的光束波长满足待测气体吸收的范围即可；光接收器8可以为In GaAs探测器，也可以为其他探测器，只要满足对光束的检测即可。
作为其他实施方式，本发明中的光发射器7与光接收器8无需在吸收池的左侧设置供光线穿过的光路腔，其也可以直接设置在吸收池的左侧，只需满足气体检测工作正常进行即可。
本实施例的气体探测器主要适用于封闭的高温烟气区域；在使用过程中，如图1所示，在烟道墙壁11左边，包裹有较长的薄壁支撑钢管的光路腔使光发射器7和光接收器8远离高温区，保证其正常工作；在烟道墙壁的右边是高温区域450摄氏度，而吸收池被防尘透气烧结金属网罩所包裹，即可以经受400摄氏度高温，保持稳定的光学机械特性。其主要工作原理如下：从光发射器7发出的激光光束经过折转棱镜5的光束调理，以合适的角度通过平面反射镜1的入光结构入射两反射镜构成的平-凹光学谐振腔中，在平-凹光学谐振腔中激光光束来回折返数十至数百次，然后准确的从平面反射镜的出光结构(出光结构与入光结构在同一位置上)出射后，经折转棱镜5处理后到达In GaAs探测器8，即按照图1中的整个光路路径10进行传播的。光接收器8通过对光电信号的分析得出气体对激光的吸收谱线，据此推算出被测气体的浓度，达到高温区域烟气的检测。
吸收池实施例
本实施例中的吸收池与气体探测器中的吸收池结构一致，在此不再赘述。
本发明在光机结构设计的过程中，充分考虑了整台仪器的便携性。通过特殊的光学机械设计，使传感器的直径控制在60mm左右，总长在1m以内，重量不超过7Kg。可搭配合适的收纳箱体，便于单人携行并可无障碍的乘坐各类公共交通工具。
本发明中的气体探测器结构轻便坚固，体积小且易于运输部署。其不仅用于高温监测，在线传感器的校准；还可用于大型燃烧器的燃烧工况调节。最优选的是用于高温且操作空间受限的场合。
上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，对于在本发明的其他实施例，本领域技术人员对于吸收池内的平-凹谐振腔的镜片形状及尺寸、腔体尺寸及布置结构等光学参数，可通过相应的与光轴、反射的次数以及两反射镜的结构及参数相关的计算公式还可以做出很多形式，这些均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种气体探测器的吸收池，包括吸收池腔体及吸收池腔体内左右设置的近光源端反射镜、远光源端反射镜，吸收池还包括入射光的入光结构、出射光的出光结构，在吸收池腔体内的近光源端反射镜、远光源端反射镜构成光轴为左右延伸的水平轴线的光学谐振腔，光学谐振腔的光路分别在近光源端反射镜、远光源端反射镜上形成近端反射点、远端反射点，其特征在于：所述近光源端反射镜、远光源端反射镜分别为平面反射镜和凹面反射镜，所述平面反射镜与凹面反射镜构成平-凹光学谐振腔，所述近端反射点、远端反射点均围绕光轴呈圆周分布，所述入光结构与出光结构均设置于平面反射镜上，入光结构和出光结构的位置处于近端反射点中反射次序不同但位置重合的一个重合点上或者处于近端反射点中的相互靠近的两个点上。
2.根据权利要求1所述的吸收池，其特征在于：所述吸收池腔体外部设置有包裹吸收池腔体的防尘透气烧结金属网罩。
3.根据权利要求1所述的吸收池，其特征在于：所述平面反射镜通过高温合金支撑杆与凹面反射镜固定在一起。
4.一种气体探测器，包括吸收池及设置于吸收池左侧的光发射器、光接收器，所述吸收池包括吸收池腔体及吸收池腔体内左右设置的近光源端反射镜、远光源端反射镜，吸收池还包括入射光的入光结构、出射光的出光结构，在吸收池腔体内的近光源端反射镜、远光源端反射镜构成光轴为左右延伸的水平轴线的光学谐振腔，光学谐振腔的光路分别在近光源端反射镜、远光源端反射镜上形成近端反射点、远端反射点，其特征在于：所述近光源端反射镜、远光源端反射镜分别为平面反射镜和凹面反射镜，所述平面反射镜与凹面反射镜构成平-凹光学谐振腔，所述近端反射点、远端反射点均围绕光轴呈圆周分布，所述入光结构与出光结构均设置于平面反射镜上，入光结构和出光结构的位置处于近端反射点中反射次序不同但位置重合的一个重合点上或者处于近端反射点中的相互靠近的两个点上。
5.根据权利要求4所述的气体探测器，其特征在于：气体探测器上于吸收池的左侧设置有供光线穿过的光路腔，所述光发射器与光接收器安装在光路腔左端。
6.根据权利要求4所述的气体探测器，其特征在于：所述吸收池腔体外部设置有包裹吸收池腔体的防尘透气烧结金属网罩。
7.根据权利要求4所述的气体探测器，其特征在于：所述平面反射镜通过高温合金支撑杆与凹面反射镜固定在一起。
8.根据权利要求5所述的气体探测器，其特征在于：还包括用于改变光束方向的折转镜片，使得光束向光轴方向聚拢；所述折转镜片设于吸收池的左端、或者设于光路腔的右端、或者隔设于吸收池腔体与光路腔之间，以使得在容光线通过的同时对吸收池腔体与光路腔进行密封阻隔。
9.根据权利要求8所述的气体探测器，其特征在于：所述折转镜片为折转棱镜。
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