CN108931504B - 一种环形多点反射式光电气体传感器探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形多点反射式光电气体传感器探头，包括环形多点光反射环，所述环形多点光反射环为中空圆柱体结构，所述中空圆柱体结构的上下两侧面分别设置有盖板，中空圆柱体结构及其盖板所形成的空腔为容纳待测气体的气体吸收池，其中一个盖板的中心设置有减少气体吸收池的总体积的实心圆柱体；中空圆柱体结构上设置有光束出入开口，开口处固定设置有平行光收发模块，所述平行光收发模块用于产生平行光并对平行光处理后传输至气体吸收池进行多次反射后输出。该发明的环形多点反射的设计不但在减小了传感器探头吸收池的容积而且增加了光程，同时也极大的提高了光路的稳定性和可靠行，在减少调试难度的同时，降低了生产加工成本。

Description

一种环形多点反射式光电气体传感器探头

技术领域

本发明涉及激光光谱气体传感器技术领域，特别是涉及一种环形多点反射式光电气体传感器探头。

背景技术

近年，随着人们对环境检测和生产安全控制的要求日益提高，众多新型气体检测技术和设备不断进入市场。由于光电子元件的广泛应用于光纤通讯行业，其生产成本不断下降，产品种类不断增多，从而使利用红外激光光谱吸收原理来测量气体成分和浓度的光电技术设备成本降低，体积变小，性能变好，变得更加实用。

日趋成熟的可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是一种具有高灵敏、高选择性、快速检测特点的气体检测技术,它利用半导体激光器可调谐、窄线宽特性,通过检测气体在光谱吸收峰处的光吸收实现气体浓度的快速检测,避免了其它气体对测量的干扰。这类新型的激光光谱气体传感器不但具有测量浓度范围大，测量精度高等优良的特性，而且其校正时间间隔很长，因而方便使用，易于推广。这些特性使激光光谱气体传感器能够广泛的应用到不同的生产过程和安全防范领域。

光学光谱吸收气体传感器包括红外光谱吸收型和红外激光光谱吸收型。前者采用的是红外宽广谱光源为测量光源，而后者则采用红外激光做其测量光源。由于不同气体在红外光谱区具有其不同的光谱特征吸收峰，当被测气体通过红外光束或红外激光束时，气体分子于入射光束相互作用，使出射光的强度在特征光谱吸收峰处由被测气体调制。因为，光强度调制的幅度和被测气体的浓度成正比，通过检测和分析红外吸收峰处的光强变化，可以对被测气体的浓度检测。

和红外光谱吸收型气体传感器相比，红外激光光谱吸收型气体传感器具较有高的抗气体交叉干扰能力。这是因为激光的谱线窄，并和气体的吸收峰谱线重合，因此，红外激光光谱气体传感器只对锁定的气体浓度敏感，使其具有良好的抗气体交叉干扰能力。结合现代的数字电子处理技术，这些传感器能够实现对被测气体的连续测试、自动运行的功能；并具有自动校正，测量精度高，反应时间快的特性。这类传感器可以用于很多工业生产过程，如在石化、发酵行业，医药生产，采矿、半导体工业等工矿生产的检测和报警，例如，氧气、一氧化碳、二氧化碳、氯气、甲烷，乙炔等可燃的碳氢化合物等是主要检测气体。而检测磷、砷和硅烷等物品则是在半导体工业中所要应用的。随着这类传感器的广泛应用和大量生产，这些传感器也可以用于公共环境和家庭环境的安全检测和报警。家庭中主要用于检测煤气，天然气和液化气的泄漏和安全提示报警。

一般气体传感器的气室，或气体吸收池大多采用在激光源和探测器之间的空间作为测量气室。在传感器的体积受到限制的情况下，为了提高测量光程长度，测量气室通常采用多个镜面或反射镜将光路在气室里多次反射的方法实现。如White反射腔、Herriott反射腔和CEAS反射腔等方案。典型White结构的多次反射池是由三个球面镜组成共焦腔,入射光束聚焦在球面镜A上,经B或C反射聚焦之后焦点还落在A。传统的Herriott池则是用两个球面镜(它们焦距相同)面对面放置而形成一个多次反射腔，其中两个反射镜的至少一个含有中心孔。光通过反射镜上的孔入射和出射，并在返回到其入口点之前在这个池内进行多次反射。腔内增强吸收光谱技术(Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy，CEAS)的反射腔是由99.7％左右的平凹镜组成的稳定光学谐振腔作吸收池。

由于以上反射腔都采用了多个光学元件来构成吸收池，使得吸收池的光学结构变的复杂。如果任意一个元件的位置相对其它元件位置有变化，光路就会随之而变，从而影响测量精度。同时，由于采用的光学元件多，增加了光路调整的难度，也增加了生产工艺复杂性和降低成品率，不利于大规模生产。因此，减少各个元件相对位置的变化的可能性，减少光路调整的难度，提高光路***的稳定性，是本技术领域亟待解决的问题。

在实际应用中，另一个影响测量的重要因素是测量气体浓度的响应时间。由于以上反射腔均采用了三维的立体结构，气体吸收池的容积比较大，气体充入和散出吸收池的时间比较长，造成测量的响应时间较长。这个因素将限制了有些实际在线检测应用。因此，减少吸收池的容积，从而减少测量相应时间，也是本技术领域亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种环形多点反射式光电气体传感器探头，采用了单一反光元件，克服现有技术中多个分离元件的缺陷，使光路十分稳定；同时，将三维立体光路改变成二维平面光路，从而减少了吸收池的容积，减少了测量的响应时间，解决了本技术领域亟待解决的问题。

一种环形多点反射式光电气体传感器探头，包括环形多点光反射环，所述环形多点光反射环为中空圆柱体结构，所述中空圆柱体结构的上下两侧面分别设置有盖板，中空圆柱体结构及其盖板所形成的空腔为容纳待测气体的气体吸收池，其中一个盖板的中心设置有减少气体吸收池的总体积的圆柱体；

所述中空圆柱体结构上设置有光束出入开口，开口处固定设置有平行光收发模块，所述平行光收发模块用于产生平行光并对平行光处理后传输至气体吸收池进行多次反射后输出。

进一步优选的技术方案，所述盖板为上盖板及下盖板，其中一个盖板或两个盖板均开设有多个通气孔，待测气体从通气孔扩散进入所述气体吸收池中。

进一步优选的技术方案，所述盖板内壁涂有黑色的用于减少反射光的涂层。

进一步优选的技术方案，所述多个通气孔中的其中一个通气孔内安装有用于测量气体吸收池内压力的压力传感器；

或一个通气孔内安装有用于测量气体吸收池内温度的温度传感器。

进一步优选的技术方案，所述环形多点光反射环其制作材料是金属、塑料或合成材料，所述环形多点光反射环通过机械加工或精密注塑形成。

进一步优选的技术方案，所述环形多点光反射环的内壁经镜面光学抛光，并镀有反射膜形成圆弧反射镜面，或所述环形多点光反射环的内壁粘贴反射材料做成圆弧反射镜面。

进一步优选的技术方案，所述平行光收发模快包括：平行激光源，所述平行激光源与第一光强探测器相连，所述平行激光源的光强变化由第一光强探测器测量并调制，第二光强探测器与参考气室相连，第一光强探测器与第二光强探测器之间设置有分光镜；

平行激光源发出的平行光束经过分光镜分成反射光束和透射光束，反射光束被第二光强探测器接收，形成测量中的参考信号，透射光束射入气体吸收池进行多次反射，经过第三光强探测器输出。

进一步优选的技术方案，所述平行激光源与第一光强探测器为一体结构或分体结构，所述第二光强探测器与参考气室为一体结构或分体结构。

进一步优选的技术方案，所述第三光强探测器前设置有一个将平行光聚焦在探测敏感面上的透镜。

进一步优选的技术方案，所述分光镜可调节反射光束的光强和所述透射光束的光强之比值。

进一步优选的技术方案，所述第二光强探测器与参考气室为一体结构时，所述第二光强探测器的封装帽内充入高浓度的待测气体，该第二光强探测器所接收的入射激光是经过高浓度的待测气体调制过的，其输出信号则带有待测气体吸收光谱的信息。

进一步优选的技术方案，所述透射光束则从光束出入开***入环形多点光反射环内，所述透射光束以设定的入射角度从光束出入开***入环形多点光反射环内并由环形多点光反射环的圆弧反射镜面多次反射，所述入射角度是指入射光束和圆弧反射镜面所形成的光反射环中心线的夹角。

进一步优选的技术方案，所述入射光束在光反射环中的反射次数是由光反射环的半径和所述入射角度决定的，所述多点反射的次数决定了光束在光反射环内的测量光程总长度。

进一步优选的技术方案，所述激光光源与其驱动电路相连，第一光强探测器、第二光强探测器、第三光强探测器均与各自对应的信号处理电路相连。

进一步优选的技术方案，上述环形多点反射式光电气体传感器探头安置在一个带有金属滤网的壳体中。

进一步优选的技术方案，一种光电气体检测装置，包括上述环形多点反射式光电气体传感器探头。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所述的光电气体传感器探头的气体吸收池采用了单一光学元件的二维环形多点光反射环，减少各个元件相对位置的变化的可能性，提高光路***的稳定性。

本发明通过二维光反射环的多次光束反射，在吸收池内增加了总的探测光程，有利于提高探测信噪比以及测量精度；通过二维环形多点光反射环减小了传感器探头的体积，从而减少了测量的响应时间。

本发明通过采用平行光收发模块设计，减少了调节光路的难度；整体发明设计减少了生产工艺的复杂性并提高生产成品率，以利于大规模生产。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是所述发明实施案例提供的一种多点反射光电气体传感器探头的结构示意图；

图2是所述发明实施案例多点反射光电气体传感器探头中光路结构的第一种实现方式(短探测光程方案)；

图3是所述发明实施案例光电气体传感器探头中光路结构的第二种实现方式(长探测光程方案)；

图4是所述发明实施案例光电气体传感器探头上盖板；

图5是所述发明实施案例环形光电气体传感器探头下盖板；

图6是所述发明实施案例平行光收发模快结构示意图；

图7是所述发明实施案例环形光电气体传感器探头安置在一个带有金属滤网的壳体中；

图中，1、第一光强探测器，2、分光镜，3、第二光强探测器，4、第三光强探测器，5、控制入射角的连接器，6、金属滤网。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

以下结合附图1至图7及实施例，对所述发明的环形光电气体传感器探头技术方案及优点进行进一步详细说明。此处所描述仅用以解释本发明环形新型的设计，并不用于限定本发明所述设计。

需要强调的是，以下以示例的方式对光电气体传感器探头具体结构及特点进行说明，不应将构成对本发明的任何限制。同时，有关下列所提及(包括隐含或公开)的任何一个技术特征，以及被直接显示或隐含在图1至图7中的任何一个技术特征，均可以在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而形成可能没有在本发明中直接或间接提到的更多其他实施例。

请参阅图1至图7所示的环形光电气体传感器探头实施例的基本结构。

本申请的一种典型的实施例子，在该实施例中，该环形光电气体传感器探头包括：环形光电气体传感器探头上盖板(见图4)、环形光电气体传感器探头下盖板(见图5)、环形光电气体传感器探头的光反射环(见图1)、环形光电气体传感器探头内的反射光路(见图2及图3)、平行光收发模快(见图6)。环形光电气体传感器探头安置在传感器外壳内(见图7)而组成可以进行气体探测的传感器。

结合工作原理对该环形光电气体传感器探头解释如下：该环形多点反射光电气体传感器探头包括内壁为反射镜面的环形光反射环(见图1)：所述光电气体传感器的光反射环的环内腔体形成该气体传感器的气体吸收池，其内部的容积用于容纳待测气体；其反射镜面将以特定角度入射的平行激光束进行多次反射，在光反射环中形成密集的多条反射光线(见图2及图3)。制作所述光反射环的材料可以是金属，塑料，合成材料等固体材料。该光反射环的内壁经镜面光学抛光，并镀有反射膜形成光反射环的工作面。气体吸收池的侧面开设有多个通气孔，被测气体将通过通孔侧面的多个通气孔扩散进入吸收池。在所述光反射环的光束出入口处安装一个特制的光收发模快。光收发模块包括至少一个自带光强探测器的可调制的平行激光源、一个分光镜、一个带有参考气室的光探测器和一个常规光探测器。其中，所述可调制的平行激光源的光强变化可以由其自带光强探测器测量，所述平行激光源的发出的平行光束经过所述的分光镜被分成反射光束和透射光束；反射光束被所述带有参考气室的光探测器测量接收；透射光束则到达光反射环的光束出入***入光反射环，然后到达所述光反射环的反射工作面；其反射光经过反射镜工作面的多次反射，最后从所述光束出入***出并被所述的光探测器测量接收。

下面对这些组成部分进行详细的说明。

光反射环其制作材料可以是金属，塑料，合成材料等。所述光反射环可以通过机械加工或精密注塑形成，该光反射环的内壁经镜面光学抛光，并镀有反射膜形成光反射环的工作面。该光反射环为中空圆柱体结构。

环形光电气体传感器探头上盖板设于光反射环的顶部；环形光电气体传感器探头下盖板设于光反射环的底部。上下盖板均带有气体通孔，如图4和图5所示。气体吸收池由光反射环的内腔以及上下盖板之间的空腔组成。

本实施例子中，上下盖板均为方形盖板。

在环形光电气体传感器探头中，如图6所示，平行光收发模快是由一个自带光强探测器的可调制光强度的平行激光源(该自带光强探测器为第一光强探测器1)、一个分光镜2、一个所述平行光收发模块的带有参考气室的光强探测器(此处的光强探测器为第二光强探测器3)、第三光电探测器4和一个控制入射角的连接器5组成。

需要说明的是，该自带光强探测器的可调制光强度的平行激光源；该激光源可以是一个低功耗的垂直腔面发射激光器(VCSEL)，也可以是一个DFB激光器。

激光光源的封装帽中安装了一个光强探测器(第一光强探测器1)，该光探测器可以对激光光源的光强变化进行实时检测。

平行光收发模块的分光镜是用来将平行激光光源发出的平行光束分成反射光束和透射光束；所述反射光束的光强和所述透射光束的光强之比值可以根据不同的设计要求进行调整。一般而言，反射光束的光强应该小于透射光束的光强。

在第二光强探测器3的封装帽内充入高浓度的待测气体的探测器。因此，该光电探测器所接收的入射激光光是经过高浓度的待测气体调制过的，其输出信号则带有待测气体吸收光谱的信息。

本发明另一实施例子中，带有参考气室的光探测器也可以由一个分离的参考气室和一个光电探测器组合替代。

本发明另一实施例子中，光反射环两侧的两个方形盖板均可开设有通气孔，被测气体经过设有金属滤网从通气孔扩散进入所述气体吸收池中。

当环形光电气体传感探头处于工作状态时，平行光收发模块的平行激光源被调谐并发出平行光，该平行光束被收发模快中的分光镜分成反射光束和透射光束；反射光束的光强和所述透射光束的光强之比值可以根据不同的设计要求进行调整。

经分光镜反射的反射光束被带有参考气室的光强探测器接收，形成参考信号。

透射光束从所述光反射环的光束出入***入光反射环内。透射平行光束是以特定设计的入射角度射入光反射环内，并由光反射环的工作面按照设计的反射次数进行多次反射。所述入射角度是指入射光束和光反射环中心线的夹角，入射角的大小是由入射角连接器的按照设计方案控制的，见图6。入射光束在光反射环中的反射次数是由所述入射角度大小决定的。所述多点反射的次数和光反射环的半径决定了光束在光反射环内的总测量光程长度，见图2及图3。

经过多次反射的光束在光反射环经历其最后一次反射后，就从光反射环的光束出入口按照设计的角度射出光反射环外，并由第三光强探测器4接收，由于该光强探测器所接收的经过多次反射的激光光束是经过被测待测气体调制过的，其输出信号则带有被测待测气体吸收光谱的信息，形成测量气体浓度的测量信号。

在该环形光电气体传感器探头中，其上下盖板的内壁涂有黑色减反射光涂层，以便减少杂散光的干扰并起到防腐蚀的作用。

在下盖板的多个通气孔中，其中一个内设有温度传感器，用来实时检测气体吸收池中的温度，这个温度信息将用来补偿由于环境温度波动引起的参数变化，以便进一步提高测量气体精度。

在下盖板的多个通气孔中，其中一个内设有压力传感器，用来实时检测气体吸收池中的压力，这个压力信息将用来补偿由于传感器所在位置气压的变化引起的参数变化，以便进一步提高测量气体精度。

在下盖板上的实心圆柱体是用来减少光反射环内部的无效容积，继而减少气体吸收池的总体积，以便进一步减少测量的响应时间。实心圆柱体直径的大小是根据不同入射角的大小决定的。该圆柱体的半径应小于第一束入射光到圆环中心的垂直距离。

在该实施例子中，当满足“该圆柱体的半径应小于第一束入射光到圆环中心的垂直距离”的条件时，所有的反射光束均满足这个条件，而在调整光路时，调整第一束光线射入比较容易。

本发明的另一实施例子中，实心圆柱体可以替换为空心的圆柱体或圆桶结构。

该环形光电气体传感器探头安置在一个带有金属滤网的壳体中，该金属滤网6是用来防止灰尘，杂质等进入吸收池内部污染光路中的光学元件，它可以在维护时更换。被测气体可以经过设有金属滤网的壳体从通气孔扩散进入所述气体吸收池中。

本环形光电气体传感器探头还设有一个电子处理电路，用于调制激光源的发光强度以及放大和调整3个光探测器的测量信号。

本发明的激光光源的驱动电路和三个光电探测器的信号处理电路可采用专利“一种基于VCSEL的低功耗气体检测装置及方法”(CN102967580A)中所述的具体电路结构。

本发明实施案例还提供了一种光电气体检测装置，包括上述实施例的光电气体传感器探头。

该发明的环形多点反射的设计不但在减小了传感器探头吸收池的容积而且增加了光程，同时也极大的提高了光路的稳定性和可靠行，在减少调试难度的同时，降低了生产加工成本。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种环形多点反射式光电气体传感器探头，其特征是，包括环形多点光反射环，所述环形多点光反射环为中空圆柱体结构，所述中空圆柱体结构的上下两侧面分别设置有盖板，中空圆柱体结构及其盖板所形成的空腔为容纳待测气体的气体吸收池，其中一个盖板的中心设置有减少气体吸收池的总体积的圆柱体；

所述中空圆柱体结构上设置有光束出入开口，开口处固定设置有平行光收发模块，所述平行光收发模块用于产生平行光并对平行光处理后传输至气体吸收池进行多次反射后输出；

光电气体传感器探头的气体吸收池采用单一光学元件的二维环形多点光反射环，来减少各个元件相对位置的变化，提高光路***的稳定性，通过二维光反射环的多次光束反射，在吸收池内增加总的探测光程，提高探测信噪比以及测量精度，通过二维环形多点光反射环减小传感器探头的体积，减少测量的响应时间，通过平行光收发模块，减少调节光路的难度。

2.如权利要求1所述的一种环形多点反射式光电气体传感器探头，其特征是，所述盖板为上盖板及下盖板，其中一个盖板或两个盖板均开设有多个通气孔，待测气体从通气孔扩散进入所述气体吸收池中；

所述盖板内壁涂有黑色的用于减少反射光的涂层。

3.如权利要求2所述的一种环形多点反射式光电气体传感器探头，其特征是，所述多个通气孔中的其中一个通气孔内安装有用于测量气体吸收池内压力的压力传感器；

或一个通气孔内安装有用于测量气体吸收池内温度的温度传感器。

4.如权利要求1所述的一种环形多点反射式光电气体传感器探头，其特征是，所述环形多点光反射环其制作材料是金属、塑料或合成材料，所述环形多点光反射环通过机械加工或精密注塑形成；

所述环形多点光反射环的内壁经镜面光学抛光，并镀有反射膜形成圆弧反射镜面，或所述环形多点光反射环的内壁粘贴反射材料做成圆弧反射镜面。

5.如权利要求1所述的一种环形多点反射式光电气体传感器探头，其特征是，所述平行光收发模块包括：平行激光源，所述平行激光源与第一光强探测器相连，所述平行激光源的光强变化由第一光强探测器测量并调制，第二光强探测器与参考气室相连，第一光强探测器与第二光强探测器之间设置有分光镜；

平行激光源发出的平行光束经过分光镜分成反射光束和透射光束，反射光束被第二光强探测器接收，形成测量中的参考信号，透射光束射入气体吸收池进行多次反射，经过第三光强探测器输出。

6.如权利要求5所述的一种环形多点反射式光电气体传感器探头，其特征是，所述平行激光源与第一光强探测器为一体结构或分体结构，所述第二光强探测器与参考气室为一体结构或分体结构；

所述第三光强探测器前设置有一个将平行光聚焦在探测敏感面上的透镜；

所述分光镜可调节反射光束的光强和所述透射光束的光强之比值。

7.如权利要求5所述的一种环形多点反射式光电气体传感器探头，其特征是，所述第二光强探测器与参考气室为一体结构时，所述第二光强探测器的封装帽内充入高浓度的待测气体，该第二光强探测器所接收的入射激光是经过高浓度的待测气体调制过的，其输出信号则带有待测气体吸收光谱的信息。

8.如权利要求5所述的一种环形多点反射式光电气体传感器探头，其特征是，所述透射光束则从光束出入开***入环形多点光反射环内，所述透射光束以设定的入射角度从光束出入开***入环形多点光反射环内并由环形多点光反射环的圆弧反射镜面多次反射，所述入射角度是指入射光束和圆弧反射镜面所形成的光反射环中心线的夹角；

所述入射光束在光反射环中的反射次数是由光反射环的半径和所述入射角度决定的，所述多点反射的次数决定了光束在光反射环内的测量光程总长度。

9.如权利要求5所述的一种环形多点反射式光电气体传感器探头，其特征是，所述激光光源与其驱动电路相连，第一光强探测器、第二光强探测器、第三光强探测器均与各自对应的信号处理电路相连。

10.一种光电气体检测装置，包括权利要求1-9任一所述的环形多点反射式光电气体传感器探头。

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