CN108279215B - 光电式气体检测装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光电式气体检测装置及其工作方法，光电式气体检测装置包括光源、赫里奥特腔和探测器，赫里奥特腔具有入射孔；光分离器设置在入射孔内，隔离所述赫里奥特腔内部和外界；光分离器包括：第一部分的折射率为n₁；光源贴着第一部分的第一侧面设置，发出的测量光从第一侧面射入，依次穿过第一部分、结合部和第二部分后射入赫里奥特腔内；第一部分和第二部分通过结合部连接，结合部的折射率为n₀，n₀≠n₁，n₀≠n₂；第二部分的折射率为n₂，n₁≠n₂；探测器贴着第二部分的第二侧面设置；从赫里奥特腔出射的检测光穿过第二部分后在结合部发生全反射，射出第二部分的检测光被探测器接收。本发明具有结构简单、成本低等优点。

Description

光电式气体检测装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及气体检测，特别涉及光电式气体检测装置及其工作方法。

背景技术

在痕量气体的测量中，为了提高测量灵敏度，降低探测下限，通常采用将测量光束穿过气体的等效光程倍增数倍甚至数百上千倍的技术方案，来增强总体的吸收强度。

比如利用Herriott腔的吸收光谱，以及利用高精细度谐振腔的OA-ICOS技术和CRDs技术均常常被用于微量甚至痕量气体的浓度检测。这些技术对于光束入射到气体腔内的入射角度和入射位置均有非常高的精度要求，甚至需要微调优化入射角度以匹配不同气体腔的细微差异，为了便于光学调节，在光源（或探测器）与气体腔之间往往留有一段距离。这种情况对于要测量大气中就常量存在的气体组分就会很困难，比如要测量微量的水气和氧气。

通常为了解决这个问题，往往需要在仪器内部通入微正压的惰性吹扫气体，比如高纯度N₂等，万一吹扫***出现故障就会使测量受到极大的影响，限制了整个仪器的探测下限。

发明内容

为了解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种结构简单、无需气体吹扫、探测下限低、可靠性高的光电式气体检测装置。

一种光电式气体检测装置，所述光电式气体检测装置包括光源、赫里奥特腔和探测器，所述赫里奥特腔具有入射孔；所述光电式气体检测装置进一步包括：

光分离器，所述光分离器设置在所述入射孔内，隔离所述赫里奥特腔内部和外界；所述光分离器包括：

第一部分，所述第一部分的折射率为n₁；所述光源贴着所述第一部分的第一侧面设置，所述光源发出的测量光从第一侧面射入，依次穿过第一部分、结合部和第二部分后射入赫里奥特腔内；

第二部分，所述第二部分的折射率为n₂，n₁≠n₂；

结合部，所述第一部分和第二部分通过结合部连接，所述结合部的折射率为n₀，n₀≠n₁，n₀≠n₂；

所述探测器贴着所述第二部分的第二侧面设置；从赫里奥特腔出射的检测光穿过第二部分后在所述结合部发生全反射，射出第二部分的检测光被所述探测器接收。

根据上述的光电式气体检测装置，优选地，所述测量光和检测光在所述光分离器内共面，且与所述结合部垂直。

根据上述的光电式气体检测装置，优选地，射入所述赫里奥特腔内的测量光在所述第二部分的出射点与射入第二部分的检测光的入射点重合。

根据上述的光电式气体检测装置，优选地，在所述出射点处，所述测量光的出射角和所述检测光的入射角相等。

根据上述的光电式气体检测装置，优选地，所述光源为半导体激光器。

根据上述的光电式气体检测装置，优选地，所述第一侧面与第二侧面相邻。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的目的还在于提供了根据上述光电式气体检测装置的工作方法，该发明目的通过以下技术方案得以实现：

根据上述的光电式气体检测装置的工作方法，所述工作方法包括以下步骤：

（A1）光源发出测量光，测量光依次穿过第一部分、结合部和第二部分后射入赫里奥特腔内；

（A2）测量光在所述赫里奥特腔内来回多次反射；

（A3）从所述赫里奥特腔出射的检测光穿过第二部分后在所述结合部发生全反射；

（A4）射出第二部分的检测光被探测器接收。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

1．无需气体吹扫装置，结构简单、成本低；

光分离器固定安装在赫里奥特腔的入射孔，激光器和探测器均贴着光分离器安装，之间的距离为零，也即排除了包含有待测气体的空气的不利影响，有效地降低了探测下限，也提高了可靠性；

2．创造性地利用了光的全反射，在空间上把入射的测量光和出射的检测光分离。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是根据本发明实施例的光电式气体检测装置的结构简图；

图2是根据本发明实施例的光分离器的结构简图。

具体实施方式

图1-2和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例1

图1示意性地给出了本发明实施例的光电式气体检测装置的结构简图，如图1所示，所述光电式气体检测装置包括：

光源31、赫里奥特腔11和探测器32，所述赫里奥特腔11具有入射孔；光源31、赫里奥特腔11和探测器32是本领域的现有技术，具体结构和工作方式在此不再赘述；

光分离器21，所述光分离器21设置在所述入射孔内，隔离所述赫里奥特腔11内部和外界；如图2所示，所述光分离器31包括：

第一部分211，所述第一部分211的折射率为n₁；所述光源31贴着所述第一部分211的第一侧面设置，间距为零，所述光源31发出的测量光从第一侧面射入，依次穿过第一部分211、结合部212和第二部分213后射入赫里奥特腔11内；

第二部分213，所述第二部分213的折射率为n₂，n₁≠n₂；

结合部212，所述第一部分211和第二部分213通过结合部212连接，所述结合部212的折射率为n₀，n₀≠n₁，n₀≠n₂；

所述探测器32贴着所述第二部分213的第二侧面设置，间距为零；从赫里奥特腔11出射的检测光穿过第二部分213后在所述结合部212发生全反射，射出第二部分213的检测光被所述探测器32接收；所述测量光和检测光在所述光分离器21内共面，且与所述结合部212垂直；射入所述赫里奥特腔11内的测量光在所述第二部分213的出射点与射入第二部分213的检测光的入射点重合；在所述出射点处，所述测量光的出射角和所述检测光的入射角相等。

根据上述的光电式气体检测装置的工作方法，所述工作方法包括以下步骤：

（A1）光源31发出测量光，测量光依次穿过第一部分211、结合部212和第二部分213后射入赫里奥特腔11内；

（A2）测量光在所述赫里奥特腔11内来回多次反射；

（A3）从所述赫里奥特腔11出射的检测光穿过第二部分213后在所述结合部212发生全反射；

（A4）射出第二部分213的检测光被探测器32接收。

实施例2

根据本发明实施例1的光电式气体检测装置及其工作方法的应用例。

在该应用例中，所述光源31为半导体激光器；所述第一侧面与第二侧面相邻；光分离器21通过胶固定在赫里奥特腔11的入射孔（也即出射孔，入射孔和出射孔共用），很好地隔离了赫里奥特腔11内部与外界；半导体激光器贴着第一侧面固定，探测器32贴着第二侧面固定。

根据本发明实施例的光电式气体检测装置的工作方法，所述工作方法包括以下步骤：

（A1）光源31发出测量光，测量光直接进入第一部分211，之后依次穿过结合部212和第二部分213后射入赫里奥特腔11内，测量光在第二部分213的出射点为A点，出射角为α；

（A2）测量光在所述赫里奥特腔11内来回多次反射；

（A3）从所述赫里奥特腔11出射的检测光进入第二部分213，穿过第二部分213后在所述结合部212发生全反射；测量光和检测光在光分离器21内共面，且与结合部212垂直；检测光在第二部分213的入射点为B点，入射角为β；A点和B点重合，α=β；

（A4）射出第二部分213的检测光直接被探测器32接收。

Claims (4)

1.一种光电式气体检测装置，所述光电式气体检测装置包括光源、赫里奥特腔和探测器，所述赫里奥特腔具有入射孔；其特征在于：所述光电式气体检测装置进一步包括：

光分离器，所述光分离器设置在所述入射孔内，隔离所述赫里奥特腔内部和外界；所述光源和探测器均贴着光分离器安装，之间的距离为零，所述光分离器包括：

第一部分，所述第一部分的折射率为n₁；所述光源贴着所述第一部分的第一侧面设置，所述光源发出的测量光从第一侧面射入，依次穿过第一部分、结合部和第二部分后射入赫里奥特腔内；

第二部分，所述第二部分的折射率为n₂，n₁≠n₂；

结合部，所述第一部分和第二部分通过结合部连接，所述结合部的折射率为n₀，n₀≠n₁，n₀≠n₂；

所述探测器贴着所述第二部分的第二侧面设置；从赫里奥特腔出射的检测光穿过第二部分后在所述结合部发生全反射，射出第二部分的检测光被所述探测器接收;

所述测量光和检测光在所述光分离器内共面，且与所述结合部垂直，射入所述赫里奥特腔内的测量光在所述第二部分的出射点与射入第二部分的检测光的入射点重合，在所述出射点处，所述测量光的出射角和所述检测光的入射角相等。

2.根据权利要求1所述的光电式气体检测装置，其特征在于：所述光源为半导体激光器。

3.根据权利要求1所述的光电式气体检测装置，其特征在于：所述第一侧面与第二侧面相邻。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的光电式气体检测装置的工作方法，所述方法包括以下步骤：

（A1）光源发出测量光，测量光依次穿过第一部分、结合部和第二部分后射入赫里奥特腔内；

（A2）测量光在所述赫里奥特腔内来回多次反射；

（A3）从所述赫里奥特腔出射的检测光穿过第二部分后在所述结合部发生全反射；

（A4）射出第二部分的检测光被探测器接收。