CN111060470A - 带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头及检测装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头及检测装置，探头包括上盖板，上盖板的表面设有气体扩散孔，气体扩散孔的上方设有金属过滤网；下盖板，位于上盖板的正下方并与上盖板可拆卸连接；下盖板的底部设有线路通孔；光路模块，位于上盖板和下盖板所围成的内部空间中，用于收集检测信号；电子处理电路电路板，位于上盖板和下盖板所围成的内部空间中，且位于光路模块的下方与光路模块电连接，用于对光路模块进行调节。本申请的探头结构简单、便于安装制造，成本较低，通过将测量光路设计成二维分布结构，不但减少了吸收池容积，还提高了光路结构稳定性，同时具有较高的检测精度。

Description

带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头及检测装置

技术领域

本发明涉及激光光谱气体传感器技术领域，尤其涉及带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头，以及一种利用该探头的气体检测装置。

背景技术

随着各种新型多波长激光器的不断出现，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检测技术也得以迅速的发展。基于这类技术制作的气体传感器具有测量气体浓度范围大，测量精度高，不需要经常校正等优良特性，将会对激光光谱气体传感器广泛应用到不同生产过程及安全防范领域起到积极的推动作用。

基于可调谐半导体激光器吸收光谱技术(TDLAS)开发出的红外激光光谱吸收气体传感器得到了日益广泛的关注，其工作原理是根据不同气体具有不同的特征光谱吸收峰，通过适当选择被测气体的特征光谱吸收峰波长值，并匹配具有同样波长的激光光源，可以实现对特定气体浓度的精确测量。当红外激光通过被测气体时，其光强度由于特征光谱吸收峰的吸收作用将出现降低现象，这种光强度降低的幅度和被测气体的浓度以及光束与气体作用的光程长度值成正比。因此，当光程长度值是个已知固定值的前提下，通过检测和分析红外吸收峰处的光强度变化值，就可以对被测气体的浓度进行检测。

检测红外吸收峰处光强度的过程主要是在气体传感器中的气体吸收池(或气室)中完成，气体吸收池(或气室)通常指的是光源到探测器之间形成的空间。测量光束在气体吸收池中的光程长短通常受到吸收池体积大小的限制，为了提高测量光束的光程长度，在气体吸收池中会设置多个镜面或反射体，将测量光束进行多次反射后再到达探测器。现有技术中常用的气体吸收池包括传统White怀特池、Herriott赫里奥特池、以及它们的改进型结构等。

然而，在实际应用中，上述吸收池都是以三维立体结构的光学光路组成，其传感器的光学结构非常复杂，吸收池的容积也偏大，无法适用于对传感器体积要求较小的应用场景；并且，如果某一个光学元件的相对位置产生任何变化，就可能会对整个传感器的测量精度产生较大的影响，使得现有技术的传感器并不具备较高的环境稳定性；除此之外，采用的光学元件越多，必然增加了生产工艺复杂性和废品率，并不利于降低成本和大规模生产。

发明内容

本发明的目的在于提出一种带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头及检测装置，以解决现有技术中传感器结构复杂、不易于安装、制造成本高且无法适用于较小尺寸的制造等问题。

第一方面，本申请提供了一种带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头，包括：

上盖板，所述上盖板的表面设有气体扩散孔，所述气体扩散孔的上方设有金属过滤网；

下盖板，位于所述上盖板的正下方并与上盖板可拆卸连接；所述下盖板的底部设有线路通孔；

光路模块，位于所述上盖板和下盖板所围成的内部空间中，用于收集检测信号；

电子处理电路电路板，位于所述上盖板和下盖板所围成的内部空间中，且位于所述光路模块的下方与光路模块电连接，用于对光路模块进行调节。

可选的，所述光路模块包括：

模座，所述模座的上表面设有矩形的半空心槽；所述半空心槽的两个相邻的棱角分别设有第一设备槽和第二设备槽；

反射镜面，位于所述半空心槽的四个侧壁上；

激光发射器，位于所述第一设备槽内，用于发射激光至其中一个所述反射镜面；

光电探测器，位于所述第二设备槽内，用于接收所述反射镜面反射的激光。

可选的，所述模座的底部开设有测量孔；所述测量孔内安装有温度传感器和压力传感器。

可选的，所述激光发射器为垂直腔面发射激光器或分布负反馈激光器。

可选的，所述光电探测器的接收端设有聚焦透镜。

可选的，所述上盖板和下盖板的横截面为圆形、椭圆形或矩形。

可选的，所述上盖板、半空心槽、第一设备槽和第二设备槽的内壁均涂有吸光防腐涂层。

可选的，所述激光发射器发射的激光与所述反射镜面间夹角为45°；所述光电探测器接收激光的方向与所述反射镜面间夹角为45°；所述半空心槽的长宽比为1.1:1。

可选的，所述模座采用刚性材料制成。

第二方面，本申请提供了一种采用上述带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头的气体检测装置。

本申请提供的一种带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头及检测装置具有下列有益效果：

一、光电气体传感器探头的方形气体吸收池采用了四个镜面多点光束反射结构，极大地减小各光学元件相对位置变化的可能性，机械结构稳定，容易加工生产。

二、平行光束经过四个相互垂直镜面的多次反射，有效地在较小的气体吸收池空间内增加了吸收气体地测量光程，可以成倍的提高探测信号地信噪比以及测量精度；

三、通过二维光路结构结合四个反射镜实现了吸收光路的折转，减小了传感器探头的体积，也减小了气体吸收池的容积，因而，有效的减少了测量气体浓度的响应时间；

四、由于四个反射镜只需直接粘贴固定于长方形的四个边框上，形成一个完整的固体结构，不但简化了吸收池的制作工艺，有效减少气体吸收池生产的复杂性，而且，相应提高生产成品率，以利于大规模生产。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一种带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头的整体结构示意图；

图2为图1所示探头中下盖板的剖视图；

图3为图1所示探头中光路模块在一种实施例下的局部结构示意图；

图4为图3中A-A向剖视图；

图5为图3中B-B向剖视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，为本申请一种带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头的整体结构示意图；

由图1可知，本申请实施例提供了一种带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头，包括上下可拆卸连接的上盖板1和下盖板2，上盖板1和下盖板2上下盖合，可在内部形成设定大小的空间结构，用于放置传感器组件；

其中，所述上盖板1的表面设有气体扩散孔11，气体扩散孔11提供了将传感器周围的气体引入到传感器内部、进而被检测的功能；在本实施例中，对于气体扩散孔的形状、大小及数量不作具体限制，例如可以设置成预设直径的小圆孔，并均布在上盖板1中心的指定区域范围内，保证进入到传感器中的待测气体达到满足检测所需的指定量；所述气体扩散孔11的上方设有金属过滤网12，金属过滤网12主要用于隔绝灰尘、杂物，防止杂质等进入传感器内部污染光路中的各个光学元件，提高设备使用寿命。

参见图2，为图1中下盖板的剖视图；

所述下盖板2主要用于承载位于内部空间的光学元件以及电路器件等，其底部设有线路通孔21，线路通孔21用于将与电路器件的连接线导出至远端的服务器或分析仪器等，在本实施例中，对于线路通孔的具体结构形式不作限定，其可以根据连接线的尺寸相应进行设计，还可以增加使线路稳定固定、增加线路强度的加强端头等结构。

在本申请的实施例中，所述上盖板1和下盖板2的外部形状可以有多种，例如圆柱体、椭圆柱体、长方体等，相应的，其横截面对应可以为圆形、椭圆形、矩形或其它可能的形状，在实际应用中，可以根据需要选取不同的形状成型上盖板1和下盖板2。

光路模块3，位于所述上盖板1和下盖板2所围成的内部空间中，用于收集检测信号；在本实施例中，光路模块3为提供检测功能的关键器件，其可以设计为一个实体刚性柱体结构，在柱体结构上加工出一个矩形的半空心结构，作为气体吸收池，通过向气体吸收池中发射激光并收集经反射后的激光，从而达到收集检测信号的目的，具体的，光路模块3的结构形式可以有多种，由图3至图5可知，在一种可行性实施例中，所述光路模块3包括：

模座301，所述模座301的上表面设有矩形的半空心槽302；需要说明的是，模座301的外形尺寸可根据上盖板1和下盖板2的形状制定，例如上下盖板为圆柱体，则模座301最好也设置为圆柱体，如上下盖板为立方体，则模座301也应设置为立方体，更有利于安装；矩形的半空心槽302提供气体吸收池的占用空间，之所以设置为矩形，是由于矩形相邻边相互垂直，这样沿矩形边设置反射镜面可使得激光按照特定角度反射，方便对反射次数、光程的走向进行控制。

进一步的，在本实施例中，所述模座301采用刚性材料制成，例如可采用金属、硬质塑料或合成材料等，使制成的模座具有较高的结构强度，一方面能使模座稳定固定在上、下盖板形成的内部空间，另一方面还能保证固定在模座上的光学器件的稳定性，避免因光学元件的位置偏移进而改变激光的光程走向以及影响激光的接收。

所述反射镜面305设于所述半空心槽302的四个侧壁上，即反射镜面305的宽度不超过半空心槽302的侧壁，在本实施例中，是将气体吸收池(在本申请中，气体吸收池是指侧壁设置有反射镜面的半空心槽所围成的结构)中用于测量的激光光路设计成二维分布结构，即反射的激光均位于同一水平面上，因此，反射镜面305的宽度不需要设计得很大即可满足测量要求，相应的半空心槽302的深度就不需要很大，这样就使得厚度很小的模座301即可完成测量任务，最大程度地减小了传感器探头的设计厚度。此外，将光路设计为二维分布，不但减少了吸收池的容积，同时也不需要考虑光路多维分布式光路不稳定的因素，增加了光路结构的稳定性。

另外，反射镜面305与半空心槽302侧壁之间的连接形式可为多种，为了减小设计的复杂程度，可以采用将反射镜面305的背面直接粘接在侧壁上的方式。

在本实施例中，通过沿矩形的半空心槽302设置反射镜面305，可以使入射的激光进行多次反射后以特定方向被收集，同时在半空心槽302内部区域形成不同形状的光程，光程线路的不同是激光入射角度以及矩形边长比所决定的，相同矩形边长比下，改变入射角度，可能改变反射次数及光程总长度，因此，根据不同的实际需要，可相应地对半空心槽302的矩形长宽比进行设置。在本申请中，激光的入射角度并不限制于同一数值，而是可根据半空心槽302的长宽比不同相应地在可选范围中选取，例如，入射角度可在30°-60°范围内进行选取，半空心槽302的长宽比在1～2:1之间选取等，但在实际应用中，为了获得更高的检测效果，通常要求在最小空间内具备较长的光程总长度以及较为致密的光程排布，因此，在图3所示出的一种较优实施例中，所述激光发射器306发射的激光与所述反射镜面305间夹角为45°；所述光电探测器307接收激光的方向与所述反射镜面305间夹角为45°；所述半空心槽302的长宽比为1.1:1，此时，由于半空心槽302长宽比的设定，此时位于四个侧边的反射镜面305相应地设置为8:10:10:10，当激光发射器306发射激光后，先后经过19次反射，再由光电探测器307所接收，从而形成完整的探测光路，可以看出，该实施例下的光程分布较均匀且较为致密，光程总长度较高，即与气体接触面积较大，具备较高的检测效果，有利于提高检测精度。

所述半空心槽302的两个相邻的棱角分别设有第一设备槽303和第二设备槽304，即第一设备槽303和第二设备槽304的槽口分别连通至半空心槽302的两个相邻角位置；其中，所述第一设备槽303内设有激光发射器306，激光发射器306可以向半空心槽302中发射激光，具体的，可以设置特定的角度，使激光以设定角度发射至其中一个所述反射镜面305；

所述第二设备槽304内设置有光电探测器307，用于接收所述反射镜面305反射的激光；具体的，光电探测器307的接收端是面向半空心槽302内的方向，其可根据激光反射后的角度相应进行自身接收角度的设置。

在本实施例中的激光发射器306和光电探测器307，其在各自槽中的固定方式可以为固定式连接，例如集成式、一体式，也可以为可拆卸式连接，例如螺接、铰接等，在此不作限制。

本实施例中的激光发射器306，根据不同的使用需要，可以选取对应的型号，例如可以选用垂直腔面发射激光器或分布负反馈激光器；垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL，又译垂直共振腔面射型激光)是一种半导体，其激光垂直于顶面射出，与一般用切开的独立芯片制程，激光由边缘射出的边射型激光有所不同。分布反馈激光器是在激光器有源波导区界面附近制作周期光栅来提供反馈，这是利用光波导折射率的周期变化来实现的，其特点是把光栅直接做在有源层与限制界面上。这些激光器不仅具有极好的性能和便于集成化，经改进还易于实现稳定的单模运转。

进一步的，本实施例中的激光发射器306可以设置成可调谐平行激光源，即在传统激光器的基础上增加光强探测器以及与光强探测器连接的控制电路，从而通过对光强的监测实时地对发射激光的光强度进行调制协调处理。

因此，所述上盖板1和下盖板2所围成的内部空间中，还设有电子处理电路电路板4，且该电子处理电路电路板4位于所述光路模块3的下方与光路模块3电连接，用于对光路模块3进行调节，其调节作用主要包括对激光源发出激光的光强度进行调节，还包括对光电探测器307接收到的测量信号进行放大、发送放大后的信号等。

进一步的，在一种可行性实施例中，所述模座301的底部开设有测量孔308；所述测量孔308内安装有温度传感器309和压力传感器310，其中，所述温度传感器309用于测量气体吸收池内的温度值，所述压力传感器310用于测量气体吸收池内的压力值；温度值和压力值信息将用于补偿由于环境温度波动引起的参数变化，以便进一步提高对待测气体的测量精度。当温度传感器309和压力传感器310采集到实时温度、压力值数据后，通过探头与远端之间连接的数据线将数据传送给远端，供服务器或处理器进行分析使用。

进一步的，在一种可行性实施例中，所述光电探测器307的接收端设有聚焦透镜(图中未示出)，聚焦透镜可将平行光聚焦在探测敏感面上，从而在光电探测器307接收激光前，先将平行光进行汇聚，提高检测精度。

进一步的，在一种较优实施例中，可将所述上盖板1、半空心槽302、第一设备槽303和第二设备槽304的内壁均涂有吸光防腐涂层，以便减少杂散光的影响，提高检测精度，同时还能起到防腐作用，增加装置使用寿命；该种吸光防腐涂层通常为黑色，可采用例如无光沥青醇酸漆或沥青酚醛漆制成，也可采用其他具备类似功能的材料形成，在此不作限制。

由上述技术方案可知，本申请提供了一种带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头，包括上盖板，上盖板的表面设有气体扩散孔，气体扩散孔的上方设有金属过滤网；下盖板，位于上盖板的正下方并与上盖板可拆卸连接；下盖板的底部设有线路通孔；光路模块，位于上盖板和下盖板所围成的内部空间中，用于收集检测信号；电子处理电路电路板，位于上盖板和下盖板所围成的内部空间中，且位于光路模块的下方与光路模块电连接，用于对光路模块进行调节。本申请的探头结构简单、便于安装制造，成本较低，通过将测量光路设计成二维分布结构，不但减少了吸收池容积，还提高了光路结构稳定性，同时具有较高的检测精度。

本申请还提供了一种气体检测装置，具体的，可以是一种针对甲烷气体的检测装置，也可以用来检测其它气体，所述装置中包括前述任意实施例所述的气体传感器探头。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头，其特征在于，所述探头包括：

上盖板(1)，所述上盖板(1)的表面设有气体扩散孔(11)，所述气体扩散孔(11)的上方设有金属过滤网(12)；

下盖板(2)，位于所述上盖板(1)的正下方并与上盖板(1)可拆卸连接；所述下盖板(2)的底部设有线路通孔(21)；

光路模块(3)，位于所述上盖板(1)和下盖板(2)所围成的内部空间中，用于收集检测信号；

电子处理电路电路板(4)，位于所述上盖板(1)和下盖板(2)所围成的内部空间中，且位于所述光路模块(3)的下方与光路模块(3)电连接，用于对光路模块(3)进行调节。

2.根据权利要求1所述的一种带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头，其特征在于，所述光路模块(3)包括：

模座(301)，所述模座(301)的上表面设有矩形的半空心槽(302)；所述半空心槽(302)的两个相邻的棱角分别设有第一设备槽(303)和第二设备槽(304)；

反射镜面(305)，位于所述半空心槽(302)的四个侧壁上；

激光发射器(306)，位于所述第一设备槽(303)内，用于发射激光至其中一个所述反射镜面(305)；

光电探测器(307)，位于所述第二设备槽(304)内，用于接收所述反射镜面(305)反射的激光。

3.根据权利要求2所述的一种带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头，其特征在于，所述模座(301)的底部开设有测量孔(308)；所述测量孔(308)内安装有温度传感器(309)和压力传感器(310)。

4.根据权利要求2所述的一种带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头，其特征在于，所述激光发射器(306)为垂直腔面发射激光器或分布负反馈激光器。

5.根据权利要求2所述的一种带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头，其特征在于，所述光电探测器(307)的接收端设有聚焦透镜。

6.根据权利要求1所述的一种带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头，其特征在于，所述上盖板(1)和下盖板(2)的横截面为圆形、椭圆形或矩形。

7.根据权利要求2所述的一种带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头，其特征在于，所述上盖板(1)、半空心槽(302)、第一设备槽(303)和第二设备槽(304)的内壁均涂有吸光防腐涂层。

8.根据权利要求2所述的一种带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头，其特征在于，所述激光发射器(306)发射的激光与所述反射镜面(305)间夹角为45°；所述光电探测器(307)接收激光的方向与所述反射镜面(305)间夹角为45°；所述半空心槽(302)的长宽比为1.1:1。

9.根据权利要求2所述的一种带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头，其特征在于，所述模座(301)采用刚性材料制成。

10.一种气体检测装置，其特征在于，所述装置包括权利要求1至9中任意一项所述的带有多点反射矩形吸收池的气体传感器探头。

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