CN111855612A - 一种参考与测量一体化的双功能光电探测器及检测*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种参考与测量一体化的双功能光电探测器及检测***，包括参考光电探测器、测量光电探测器和分光光纤准直器；所述参考光电探测器内设有参考气室，且所述参考气室内填充有被测气体；所述分光光纤准直器包括光入射接头、平行光出光头、反射光出光头和光纤组件；所述平行光出光头通过所述光纤组件分别与所述光入射接头和所述反射光出光头光路连接；所述参考光电探测器与所述平行光出光头光路连接，所述测量光电探测器与所述反射光出光头光路连接。本发明将参考功能的光电探测器、测量功能的光电探测器和分光功能的光分路器集成在一体，大大减少了整个检测***的体积和重量，提高了气体检测灵敏度的稳定性和可靠性，并大大降低了成本。

Description

一种参考与测量一体化的双功能光电探测器及检测***

技术领域

本发明涉及气体检测领域，尤其涉及一种参考与测量一体化的双功能光电探测器及检测***。

背景技术

基于TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱)技术的气体含量实时在线式检测***，是一种通过气体对特定波长的激光吸收，测量对应气体的含量的检测***。它是先进的高灵敏度、快速响应的新一代气体检测技术。该技术具有测量精度高，可达ppm(百万分之一)量级；准确度高，可检测混合气体中的特定成分气体；响应速度快，可达毫秒响应量级；使用光学方式检测，可抗干扰和防爆特性，可用于易燃易爆气体检测。

在基于TDLAS技术的气体含量实时在线式检测***中，若要实现高精度测量，必须保证激光***中激光器工作的中心波长正好对准被测气体的吸收波长，以甲烷气体为例，吸收波长为1653.7nm，因此激光甲烷传感器中的激光器波长需要保持在1653.7±0.01nm。然而激光器的驱动电流、环境温度等因素都会引起激光器波长的漂移，环境温度越高，激光器波长越长，反之越短。因此参考气室孕育而生，参考气室是指一个灌注有指定浓度的被测气体的密封腔体。

带参考气室的气体在线监测***就是一种基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的高精度、高稳定性、自带较准功能的气体检测***。在该监测***中，往往将激光的光束以1:1的比例一分为二，一束光通过测量气室到测量功能探测器，另外一束光通过参考气室到参考功能光电探测器，然后通过测量功能探测器的响应度与参考功能光电探测器的响应度之间的对比，来主动校准激光器在环境温度等因素影响下的波长变化。

然而，目前带参考气室的气体在线监测***中的参考功能光电探测器、测量功能光电探测器以及光分路器，均为互相独立的分离式结构，这种分离式的气体监测***，主要存在以下几种问题：

1、检测灵敏度的稳定性较低、可靠性差。器件之间多是通过光纤快速接头或者光纤熔接的方式进行对接，对接的质量无法主动调整，即对接后产生的光反射无法主动消除，因此连接头越多，光***链路的造成的回损越大，气体浓度检测灵敏度的稳定性越低，零点波动越大；

2、体积大、成本昂贵。这些分离式器件均为单一功能器件，有源器件和无源器件之间是通过光纤快速连接头进行连接，造成整个***的体积较大，限制了在便携仪等领域的应用，且成本昂贵。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种参考与测量一体化的双功能光电探测器及检测***，将参考功能光电探测器、测量功能光电探测器和光分路器集成为一体式结构，大大减少了整个检测***的体积和重量，提高了气体检测灵敏度的稳定性和可靠性，并大大降低了成本。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种参考与测量一体化的双功能光电探测器，包括参考光电探测器、测量光电探测器和分光光纤准直器；所述参考光电探测器内设有参考气室，且所述参考气室内填充有被测气体；

所述分光光纤准直器包括光入射接头、平行光出光头、反射光出光头和光纤组件；

所述平行光出光头通过所述光纤组件分别与所述光入射接头和所述反射光出光头光路连接；所述参考光电探测器与所述平行光出光头光路连接，所述测量光电探测器与所述反射光出光头光路连接。

本发明的有益效果是：参考光电探测器内设有参考气室，因此参考光电探测器为参考功能的光电探测器，参考光电探测器与分光光纤准直器中的平行光出光头光路连接，测量光电探测器与分光光纤准直器中的反射光出光头光路连接，而平行光出光头通过光纤组件分别与光入射接头和反射光出光头光路连接，因此通过光纤组件和平行光出光头能将光入射接头中发射进来的激光分成两部分，一部分传输至参考光电探测器，另一部分传输至测量光电探测器，通过参考光电探测器与测量光电探测器中测量的响应度的实时对比，对入射的激光器波长进行实时对比校准，从而提高对被测气体的含量测量的精度；其中，光入射接头与传统的光纤连接头类似；

本发明的参考与测量一体化的双功能光电探测器，与传统的光电探测器或气体检测***相比，将参考功能的光电探测器、测量功能的光电探测器和分光功能的光分路器集成在一体，既能实现参考气室的功能，又能实现气体测量的功能，形成双功能的一体化结构，从传统检测***中需要三个光纤连接头降低到只需要一个，大大减少了整个检测***的体积和重量，提高了气体检测灵敏度的稳定性和可靠性，并大大降低了成本，成本仅为传统检测***成本的一半，非常适合在气体检测领域中进行推广使用。

在上述技术方案的基础上，本发明还有如下改进：

进一步：所述参考光电探测器包括第一管体、第一光敏元件、第一TO管帽、第一TO管座、第一TO管脚和第一管帽透镜；

所述第一光敏元件、所述第一TO管帽、所述第一TO管座和所述第一管帽透镜均设置在所述第一管体内部，所述第一TO管脚与所述第一TO管座连接并伸出所述第一管体外，所述第一TO管帽罩设在所述第一TO管座上，所述第一管帽透镜镶嵌在所述第一TO管帽上，所述第一光敏元件固定在所述第一TO管座上，并与所述第一TO管脚电连接；所述第一TO管帽、所述第一管帽透镜和所述第一TO管座合围而成所述参考气室，所述第一光敏元件位于所述参考气室内并与所述第一管帽透镜相对；

所述测量光电探测器包括第二管体、第二光敏元件、第二TO管帽、第二TO管座、第二TO管脚和第二管帽透镜；

所述第二光敏元件、所述第二TO管帽、所述第二TO管座和所述第二管帽透镜均设置在所述第二管体内部，所述第二TO管脚与所述第二TO管座连接并伸出所述第二管体外，所述第二TO管帽罩设在所述第二TO管座上，所述第二管帽透镜镶嵌在所述第二TO管帽上，所述第二光敏元件固定在所述第二TO管座上，并与所述第二管帽透镜相对，所述第二光敏元件与所述第二TO管脚电连接。

上述进一步方案的有益效果是：第一TO管帽、第一管帽透镜和第一TO管座合围而成参考气室，通过上述带有参考气室的光电探测器，平行光出光头的出射光通过第一TO管帽透镜传递到第一光敏元件上，形成自带参考气室的集成化的光电探测器，用光电探测器原有内腔加以设计，一腔两用，既满足了原有保护光电探测器内的光敏元件等电学器件的气密性封装的目的，又达到了参考气室的性能要求，从而进一步提高整体集成度，降低成本；而测量光电探测器的结构与参考光电探测器的内部结构类似，但未形成参考气室，便于与参考光电探测器检测的数据进行对比，实现测量的功能，达到气体检测的目的。

进一步：所述参考光电探测器还包括第一陶瓷过渡块；

所述第一陶瓷过渡块固定在所述第一TO管座上，且所述第一陶瓷过渡块的上端面与所述第一TO管座之间形成第一夹角；所述第一光敏元件固定在所述第一陶瓷过渡块的上端面上；

和/或，

所述测量光电探测器还包括第二陶瓷过渡块；

所述第二陶瓷过渡块固定在所述第二TO管座上，且所述第二陶瓷过渡块的上端面与所述第二TO管座之间形成第二夹角；所述第二光敏元件固定在所述第二陶瓷过渡块的上端面上。

上述进一步方案的有益效果是：在参考光电探测器内，通过在第一TO管座与第一光敏元件之间设置带有第一夹角的第一陶瓷过渡块，能实现主动调整第一TO管座与第一光敏元件之间的夹角，从而一方面主动调整平行光出光头入射到第一光敏元件上的平行光与第一光敏元件之间的夹角，使该平行光非垂直入射到第一光敏元件上，另一方面主动调整从第一光敏元件到平行光出光头再到光入射接头这一支路的的反射光，有效降低该反射光的回损，减小了光学***噪声，有效提高了气体检测灵敏度的稳定性；

同理，在测量光电探测器内，通过带有第二夹角的第二陶瓷过渡块，一方面能主动调整利用平行光出光头和反射光出光头入射到第二光敏元件上的入射光与第二光敏元件之间的夹角，使该入射光非垂直入射到第二光敏元件上，另一方面主动调整从第二光敏元件到反射光出光头再到光入射接头这一支路的反射光，同样有效降低该反射光的回损，减小了光学***噪声，有效提高了气体检测灵敏度的稳定性。

进一步：所述第一夹角大于或等于4°，且小于45°；

和/或，

所述第二夹角大于或等于4°，且小于45°。

上述进一步方案的有益效果是：第一陶瓷过渡块的第一夹角大于或等于4°且小于45°，能使得从第一光敏元件到平行光出光头再到光入射接头这一支路的反射光所对应的反射光回损降低到-70db以下，和/或，第二陶瓷过渡块的第二夹角大于或等于4°且小于45°，能使得从第二光敏元件到反射光出光头再到光入射接头这一支路的的反射光所对应的反射光回损降低到-70db以下，进一步减小了光学***噪声，进一步有效提高了气体检测灵敏度的稳定性。

进一步：所述平行光出光头包括准直透镜、分光片、钢包针和第一宝塔套结构件；

所述钢包针设置在所述第一宝塔套结构件内部，所述准直透镜和所述分光片均设置在所述钢包针内部，且所述钢包针通过所述第一宝塔套结构件与所述第一管体套接在一起；所述光入射接头、所述光纤组件、所述准直透镜、所述分光片和所述第一光敏元件依次光路连接。

上述进一步方案的有益效果是：钢包针对其内部的准直透镜和分光片起到固定和焊接作用，再通过第一宝塔套结构件将整个钢包针及其内部的结构与参考光电探测器焊接在一起，以便准直透镜、分光片以及第一光敏元件能更好地光路连接，使得光入射接头中传递到准直透镜再传递到分光片中的光能一分为二，一部分光通过分光片有效入射到第一光敏元件中，另一部分通过分光片有效反射到反射光出光头中之后再入射到第二光敏元件中，以便同时实现双功能(即参考功能和测量功能)；其中分光片将准直透镜中传递过来的光分成两部分的比例可以是任意比例，也可以预设的比例，例如分光片将准直透镜中传递过来的光以1:1的比例分为两部分。

进一步：所述光纤组件包括双孔光纤毛细管；

所述准直透镜通过所述双孔光纤毛细管与所述光入射接头光路连接。

上述进一步方案的有益效果是：光入射接头与准直透镜之间通过双孔光纤毛细管光路连接，能便于光入射接头中传递到准直透镜中的光能一分为二，进而便于其中一部分光能更好地入射到第一光敏元件中，另一部分光能更好地入射到反射光出光头中，进而更好地实现参考功能和测量功能。

进一步：所述双孔光纤毛细管的两个光纤毛细管之间的孔距大于或等于135μm。

上述进一步方案的有益效果是：当双孔光纤毛细管的两个光纤毛细管之间的孔距大于或等于135μm时，与传统的双孔光纤毛细管相比，扩大了双孔之间的间距，能使得光入射接头中传递过来的入射光依次经过双孔光纤毛细管、准直透镜和分光片出射后的平行光与准直透镜的中心轴之间的夹角大于或等于1.8°，即增大了平行光出光头的出射平行光的出射角度，增大出射角度能进一步有效减小光反射回损，进一步保证反射回损能降低到-70db以下，减小光学***噪声，进而进一步有效提高了气体检测灵敏度的稳定性。

进一步：所述反射光出光头包括光纤陶瓷插芯和第二宝塔套结构件；

所述光纤陶瓷插芯设置在所述第二宝塔套结构件内部，且所述光纤陶瓷插芯通过所述第二宝塔套结构件与所述第二管体套接在一起；所述平行光出光头、所述光纤组件、所述光纤陶瓷插芯和所述第二光敏元件依次光路连接。

上述进一步方案的有益效果是：光纤陶瓷插芯设置在第二宝塔套结构件内部，再通过第二宝塔套结构件，将整个反射光出光头及其内部的结构与测量光电探测器焊接在一起，便于通过光纤陶瓷插芯将平行光出光头中分出的一部分光有效传递到第二光敏元件中，进而更好地实现测量功能。

进一步：所述光纤陶瓷插芯的出光端面为斜面，且所述斜面与水平方向之间的夹角大于或等于8°。

上述进一步方案的有益效果是：通过带有大于或等于8°的斜面的光纤陶瓷插芯，使得平行光出光头中分出的一部分光能以和主光轴呈更大夹角的发散光或者汇聚光的形式传递到第二光敏元件中，进一步更好地实现气体测量的功能，降低光反射，提高检测的零点稳定度。

依据本发明的另一方面，还提供了一种参考与测量一体化的检测***，应用于本发明中的一种参考与测量一体化的双功能光电探测器中，还包括激光器和测量气室；

所述激光器通过所述测量气室与所述光入射接头光路连接。

本发明的有益效果是：通过激光器、测量气室以及本发明中的参考与测量一体化的双功能光电探测器，能使得激光器发出的激光通过测量气室后再与参考与测量一体化的双功能光电探测器中的光入射接头光路连接，进而使得激光器发出的光能分成两部分，一部分传输至参考光电探测器，另一部分传输至测量光电探测器，通过参考光电探测器与测量光电探测器中测量的响应度的对比，对入射的激光器波长进行实时对比校准，从而提高对被测气体的含量测量的精度，实现体积更小、重量更轻、集成化程度更高的气体检测***，提高了气体检测灵敏度的稳定性和可靠性，并大大降低了成本。

附图说明

图1为本发明中的一种参考与测量一体化的双功能光电探测器的结构示意图；

图2为本发明中的参考光电探测器的结构示意图；

图3为本发明中的测量光电探测器的结构示意图；

图4为本发明中的平行光出光头的结构示意图；

图5为本发明中的反射光出光头的示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、参考光电探测器，2、测量光电探测器，3、分光光纤准直器，10、第一管体，11、第一光敏元件，12、第一TO管帽，13、第一TO管座，14、第一TO管脚，15、第一管帽透镜，16、第一陶瓷过渡块，20、第二管体，21、第二光敏元件，22、第二TO管帽，23、第二TO管座，24、第二TO管脚，25、第二管帽透镜，26、第二陶瓷过渡块，321、准直透镜，332、分光片，323、钢包针，324、第一宝塔套结构件，331、光纤陶瓷插芯，332、第二宝塔套结构件，341、双孔光纤毛细管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

下面结合附图，对本发明进行说明。

实施例一、如图1所示，一种参考与测量一体化的双功能光电探测器，包括参考光电探测器1、测量光电探测器2和分光光纤准直器3；所述参考光电探测器1内设有参考气室，且所述参考气室内填充有被测气体；

所述分光光纤准直器3包括光入射接头31、平行光出光头32、反射光出光头33和光纤组件34；

所述平行光出光头32通过所述光纤组件34分别与所述光入射接头31和所述反射光出光头33光路连接；所述参考光电探测器1与所述平行光出光头32光路连接，所述测量光电探测器2与所述反射光出光头33光路连接。

本实施例的参考与测量一体化的双功能光电探测器的工作原理为：

参考光电探测器内设有参考气室，因此参考光电探测器为参考功能的光电探测器，参考光电探测器与分光光纤准直器中的平行光出光头光路连接，测量光电探测器与分光光纤准直器中的反射光出光头光路连接，而平行光出光头通过光纤组件分别与光入射接头和反射光出光头光路连接，因此通过光纤组件和平行光出光头能将光入射接头中发射进来的激光分成两部分，一部分传输至参考光电探测器，另一部分传输至测量光电探测器，通过参考光电探测器与测量光电探测器中测量的响应度的实时对比，对入射的激光器波长进行实时对比校准，从而提高对被测气体的含量测量的精度；其中，光入射接头与传统的光纤连接头类似；

本实施例的参考与测量一体化的双功能光电探测器，与传统的光电探测器或气体检测***相比，将参考功能的光电探测器、测量功能的光电探测器和分光功能的光分路器集成在一体，既能实现参考气室的功能，又能实现气体测量的功能，形成双功能的一体化结构，从传统检测***中需要三个光纤连接头降低到只需要一个，大大减少了整个检测***的体积和重量，有效减少了光反射回损，提高了气体检测灵敏度的稳定性和可靠性，并大大降低了成本，成本仅为传统检测***成本的一半，非常适合在气体检测领域中进行推广使用。

具体地，光入射接头为FC/PC或者FC/APC等光纤快速接头。

优选地，如图2所示，所述参考光电探测器1包括第一管体10、第一光敏元件11、第一TO管帽12、第一TO管座13、第一TO管脚14和第一管帽透镜15；

所述第一光敏元件11、所述第一TO管帽12、所述第一TO管座13和所述第一管帽透镜15均设置在所述第一管体10内部，所述第一TO管脚14与所述第一TO管座13连接并伸出所述第一管体10外，所述第一TO管帽12罩设在所述第一TO管座13上，所述第一管帽透镜14镶嵌在所述第一TO管帽11上，所述第一光敏元件11固定在所述第一TO管座13上，并与所述第一TO管脚14电连接；所述第一TO管帽12、所述第一管帽透镜15和所述第一TO管座13合围而成所述参考气室，所述第一光敏元件11位于所述参考气室内并与所述第一管帽透镜15相对；

如图3所示，所述测量光电探测器2包括第二管体20、第二光敏元件21、第二TO管帽22、第二TO管座23、第二TO管脚24和第二管帽透镜25；

所述第二光敏元件21、所述第二TO管帽22、所述第二TO管座23和所述第二管帽透镜25均设置在所述第二管体20内部，所述第二TO管脚24与所述第二TO管座23连接并伸出所述第二管体20外，所述第二TO管帽22罩设在所述第二TO管座23上，所述第二管帽透镜24镶嵌在所述第二TO管帽21上，所述第二光敏元件21固定在所述第二TO管座23上，并与所述第二管帽透镜25相对，所述第二光敏元件21与所述第二TO管脚24电连接。

第一TO管帽、第一管帽透镜和第一TO管座合围而成参考气室，通过上述带有参考气室的光电探测器，平行光出光头的出射光通过第一TO管帽透镜传递到第一光敏元件上，形成自带参考气室的集成化的光电探测器，用光电探测器原有内腔加以设计，一腔两用，既满足了原有保护光电探测器内的光敏元件等电学器件的气密性封装的目的，又达到了参考气室的性能要求，从而进一步提高整体集成度，降低成本；而测量光电探测器的结构与参考光电探测器的内部结构类似，但未形成参考气室，便于与参考光电探测器检测的数据进行对比，实现测量的功能，达到气体检测的目的。

具体地，本实施例中的参考与测量一体化的双功能光电探测器的制备方法如下：

S101：第一光敏元件焊接在第一TO管座上，并与第一TO管脚电连接，第一TO管帽电阻焊接在第一管座TO上，第一TO管帽的内壁与第一TO管座的内壁合围而成的参考气室内填充被测气体，采用激光焊接或者钎焊或者胶合方式，将第一管体固定在第一TO管座上；

S102：第二光敏元件焊接在第二TO管座上，并与第二TO管脚电连接，第二TO管帽电阻焊接在第二管座TO上，采用激光焊接或者钎焊或者胶合方式，将第二管体固定在第二TO管座上；

S103：将分光光纤准直器中的平行光出光头与第一管体光学对准，采用激光焊接或者钎焊或者胶合方式将平行光出光头与第一管体固定；同时将分光光纤准直器中的反射光出光头与第二管体光学对准，并采用激光焊接或者钎焊或者胶合方式将反射光出光头与第二管体固定。

实施例二、在实施例一的基础上，提供一种参考与测量一体化的双功能光电探测器，如图2所示，所述参考光电探测器1还包括第一陶瓷过渡块16；

所述第一陶瓷过渡块16固定在所述第一TO管座13上，且所述第一陶瓷过渡块16的上端面与所述第一TO管座13之间形成第一夹角；所述第一光敏元件11固定在所述第一陶瓷过渡块16的上端面上；

和/或，

如图3所示，所述测量光电探测器2还包括第二陶瓷过渡块26；

所述第二陶瓷过渡块26固定在所述第二TO管座23上，且所述第二陶瓷过渡块26的上端面与所述第二TO管座23之间形成第二夹角；所述第二光敏元件21固定在所述第二陶瓷过渡块26的上端面上。

在参考光电探测器内，通过在第一TO管座与第一光敏元件之间设置带有第一夹角的第一陶瓷过渡块，能实现主动调整第一TO管座与第一光敏元件之间的夹角，从而一方面主动调整平行光出光头入射到第一光敏元件上的平行光与第一光敏元件之间的夹角，使该平行光非垂直入射到第一光敏元件上，另一方面主动调整从第一光敏元件到平行光出光头再到光入射接头这一支路的反射光，有效降低该反射光的回损，减小了光学***噪声，有效提高了气体检测灵敏度的稳定性；

同理，在测量光电探测器内，通过带有第二夹角的第二陶瓷过渡块，一方面能主动调整利用平行光出光头和反射光出光头入射到第二光敏元件上的入射光与第二光敏元件之间的夹角，使该入射光非垂直入射到第二光敏元件上，另一方面主动调整从第二光敏元件到反射光出光头再到光入射接头这一支路的的反射光，同样有效降低该反射光的回损，减小了光学***噪声，有效提高了气体检测灵敏度的稳定性。

优选地，所述第一夹角大于或等于4°，且小于45°；

和/或，

所述第二夹角大于或等于4°，且小于45°。

第一陶瓷过渡块的第一夹角大于或等于4°且小于45°，能使得从第一光敏元件到平行光出光头再到光入射接头这一支路的的反射光所对应的反射光回损降低到-70db以下，和/或，第二陶瓷过渡块的第二夹角大于或等于4°且小于45°，能使得从第二光敏元件到反射光出光头再到光入射接头这一支路的的反射光所对应的反射光回损降低到-70db以下，进一步减小了光学***噪声，进一步有效提高了气体检测灵敏度的稳定性。

具体地，本实施例中的参考与测量一体化的双功能光电探测器的制备方法如下：

S101：采用环氧树脂银浆或钎焊方式，将第一光敏元件固定在第一陶瓷过渡块上，第一陶瓷过渡块焊接在第一TO管座上，第一光敏元件与第一TO管脚电连接，第一TO管帽电阻焊接在第一管座TO上，在第一TO管帽的内壁与第一TO管座的内壁合围而成的参考气室内填充被测气体，采用激光焊接或者钎焊或者胶合方式，将第一管体固定在第一TO管座上；

S102：采用环氧树脂银浆或钎焊方式，将第二光敏元件固定在第二陶瓷过渡块上，第二陶瓷过渡块焊接在第二TO管座上，第二光敏元件与第二TO管脚电连接，第二TO管帽电阻焊接在第二管座TO上，采用激光焊接或者钎焊或者胶合方式，将第二管体固定在第二TO管座上；

S103：将分光光纤准直器中的平行光出光头与第一管体光学对准，采用激光焊接或者钎焊或者胶合方式将平行光出光头与第一管体固定；同时将分光光纤准直器中的反射光出光头与第二管体光学对准，并采用激光焊接或者钎焊或者胶合方式将反射光出光头与第二管体固定。

实施三、在实施例一和实施例二的基础上，提供一种参考与测量一体化的双功能光电探测器，如图4所示，所述平行光出光头32包括准直透镜321、分光片322、钢包针323和第一宝塔套结构件324；

所述钢包针323设置在所述第一宝塔套结构件324内部，所述准直透镜321和所述分光片322均设置在所述钢包针323内部，且所述钢包针323通过所述第一宝塔套结构件324与所述第一管体10套接在一起；所述光入射接头31、所述光纤组件34、所述准直透镜321、所述分光片322和所述第一光敏元件11依次光路连接。

钢包针对其内部的准直透镜和分光片起到固定和焊接作用，再通过第一宝塔套结构件将整个钢包针及其内部的结构与参考光电探测器焊接在一起，以便准直透镜、分光片以及第一光敏元件能更好地光路连接，使得光入射接头中传递到准直透镜再传递到分光片中的光能一分为二，一部分光通过分光片有效入射到第一光敏元件中，另一部分通过分光片有效反射到反射光出光头中之后再入射到第二光敏元件中，以便同时实现双功能(即参考功能和测量功能)；其中分光片将准直透镜中传递过来的光分成两部分的比例可以是任意比例，也可以预设的比例。

具体地，本实施例中的分光片将准直透镜中传递过来的光以1:1的比例分为两部分；钢包针包括玻璃管和钢管，玻璃管为靠近准直透镜的中心轴线的内管，钢管为远离准直透镜的中心轴线的外管。

优选地，如图4所示，所述光纤组件34包括双孔光纤毛细管341；

所述准直透镜321通过所述双孔光纤毛细管341与所述光入射接头31光路连接。

光入射接头与准直透镜之间通过双孔光纤毛细管光路连接，能便于光入射接头中传递到准直透镜中的光能一分为二，进而便于其中一部分光能更好地入射到第一光敏元件中，另一部分光能更好地入射到反射光出光头中，进而更好地实现参考功能和测量功能。

优选地，所述双孔光纤毛细管341的两个光纤毛细管之间的孔距大于或等于135μm。

当双孔光纤毛细管的两个光纤毛细管之间的孔距大于或等于135μm时，与传统的双孔光纤毛细管相比，扩大了双孔之间的间距，能使得光入射接头中传递过来的入射光依次经过双孔光纤毛细管、准直透镜和分光片出射后的平行光与准直透镜的中心轴之间的夹角大于或等于1.8°，即增大了平行光出光头的出射平行光的出射角度，增大出射角度能进一步有效减小光反射回损，进一步保证反射回损能降低到-70db以下，减小光学***噪声，进而进一步有效提高了气体检测的灵敏度。

具体地，本实施例中的参考与测量一体化的双功能光电探测器的制备方法如下：

S101：采用环氧树脂银浆或钎焊方式，将第一光敏元件固定在第一陶瓷过渡块上，第一陶瓷过渡块焊接在第一TO管座上，第一光敏元件与第一TO管脚电连接，第一TO管帽电阻焊接在第一管座TO上，在第一TO管帽的内壁与第一TO管座的内壁合围而成的参考气室内填充被测气体，采用激光焊接或者钎焊或者胶合方式，将第一管体固定在第一TO管座上；

S102：采用环氧树脂银浆或钎焊方式，将第二光敏元件固定在第二陶瓷过渡块上，第二陶瓷过渡块焊接在第二TO管座上，第二光敏元件与第二TO管脚电连接，第二TO管帽电阻焊接在第二管座TO上，采用激光焊接或者钎焊或者胶合方式，将第二管体固定在第二TO管座上；

S103：将输入光纤和反射光纤分别***到双孔光纤毛细管的两个毛细管的孔中并胶合固定；将分光光纤准直器中的准直器与分光片光学对准，然后将双孔光纤毛细管分别与准直透镜和分光片进行耦合，使反射光纤出光功率与输入光纤光功率之比达到分光片的分光比，并用环氧胶水固定；

S104：将耦合好的双孔光纤毛细管、准直透镜和分光片的外侧套上玻璃管，并胶合固定；然后在玻璃管的外侧套上钢管，并胶合固定；

S105：采用激光焊接或者钎焊或者胶合方式，将包含有准直器与分光片的钢管与第一宝塔套结构件固定；将已焊接好准直器和分光片的第一宝塔套结构件与第一管体光学对准，采用激光焊接或者钎焊或者胶合方式，将已焊接好准直器和分光片的第一宝塔套结构件与第一管体固定；

S106：将分光光纤准直器中的反射光出光头与第二管体光学对准，并采用激光焊接或者钎焊或者胶合方式将反射光出光头与第二管体固定。

实施例四、在实施例一至实施例三的基础上，提供一种参考与测量一体化的双功能光电探测器，如图5所示，所述反射光出光头33包括光纤陶瓷插芯331和第二宝塔套结构件332；

所述光纤陶瓷插芯331设置在所述第二宝塔套结构件332内部，且所述光纤陶瓷插芯331通过所述第二宝塔套结构件332与所述第二管体20套接在一起；所述平行光出光头32、所述光纤组件34、所述光纤陶瓷插芯331和所述第二光敏元件21依次光路连接。

光纤陶瓷插芯设置在第二宝塔套结构件内部，再通过第二宝塔套结构件，将整个反射光出光头及其内部的结构与测量光电探测器焊接在一起，便于通过光纤陶瓷插芯将平行光出光头中分出的一部分光有效传递到第二光敏元件中，进而更好地实现测量功能。

优选地，如图5所示，所述光纤陶瓷插芯331的出光端面为斜面，且所述斜面与水平方向之间的夹角大于或等于8°。

通过带有大于或等于8°的斜面的光纤陶瓷插芯，使得平行光出光头中分出的一部分光能以和主光轴呈更大夹角的发散光或者汇聚光的形式传递到第二光敏元件中，进一步更好地实现气体测量的功能，降低光反射，提高检测的零点稳定度。

优选地，所述斜面与水平方向之间的夹角大于或等于8°且小于30°。

通过带有大于或等于8°且小于30°的斜面的光纤陶瓷插芯，能在保证平行光出光头发出的一部分光顺利传递到第二光敏元件的基础上，进一步使得该一部分光能以和主光轴呈更大夹角的发散光或者汇聚光的形式传递到第二光敏元件中，降低光反射，进一步提高检测的零点稳定度。

具体地，本实施例中的参考与测量一体化的双功能光电探测器的制备方法如下：

S101：第一光敏元件通过银浆固定在第一陶瓷过渡块上，第一陶瓷过渡块焊接在第一TO管座上，并与第一TO管脚电连接，第一TO管帽电阻焊接在第一管座TO上，第一TO管帽的内壁与第一TO管座的内壁合围而成的参考气室内填充被测气体，采用激光焊接或者钎焊或者胶合方式，将第一管体固定在第一TO管座上；

S102：第二光敏元件通过银浆固定在第二陶瓷过渡块上，第二陶瓷过渡块焊接在第二TO管座上，并与第二TO管脚电连接，第二TO管帽电阻焊接在第二管座TO上，采用激光焊接或者钎焊或者胶合方式，将第二管体固定在第二TO管座上；

S103：将输入光纤和反射光纤分别***到双孔光纤毛细管的两个毛细管的孔中并胶合固定；将分光光纤准直器中的准直器与分光片光学对准，然后将双孔光纤毛细管分别与准直透镜和分光片进行耦合，使反射光纤出光功率与输入光纤光功率之比达到分光片的分光比，并用环氧胶水固定；

S104：将耦合好的双孔光纤毛细管、准直透镜和分光片的外侧套上玻璃管，并胶合固定；然后在玻璃管的外侧套上钢管，并胶合固定；

S105：采用激光焊接或者钎焊或者胶合方式，将包含有准直器与分光片的钢管与第一宝塔套结构件固定；将已焊接好准直器和分光片的第一宝塔套结构件与第一管体光学对准，采用激光焊接或者胶合方式，将已焊接好准直器和分光片的第一宝塔套结构件与第一管体固定；

S106：采用激光焊接或者钎焊或者胶合方式，将分光光纤准直器中的光纤陶瓷插芯与第二宝塔套结构件固定，以耦合方式将已焊接好光纤陶瓷插芯的第二宝塔套结构件与第二管体光学对准，并采用激光焊接或者胶合方式，将已焊接好光纤陶瓷插芯的第二宝塔套结构件与第二管体固定。

实施例五、基于实施例一至实施例四，提供一种参考与测量一体化的检测***，应用于实施例一至实施例四中的一种参考与测量一体化的双功能光电探测器中，还包括激光器和测量气室；

所述激光器通过所述测量气室与所述光入射接头31光路连接。

通过激光器、测量气室以及实施例一至实施例四中的参考与测量一体化的双功能光电探测器，能使得激光器发出的激光能通过测量气室后再与参考与测量一体化的双功能光电探测器中的光入射接头光路连接，使得激光器发出的光能分成两部分，一部分传输至参考光电探测器，另一部分传输至测量光电探测器，通过参考光电探测器与测量光电探测器中测量的响应度的对比，对入射的激光器波长进行实时对比校准，从而提高对被测气体的含量测量的精度，实现体积更小、重量更轻、集成化程度更高的气体检测***，提高了气体检测灵敏度的稳定性和可靠性，并大大降低了成本。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种参考与测量一体化的双功能光电探测器，其特征在于，包括参考光电探测器(1)、测量光电探测器(2)和分光光纤准直器(3)；所述参考光电探测器(1)内设有参考气室，且所述参考气室内填充有被测气体；

所述分光光纤准直器(3)包括光入射接头(31)、平行光出光头(32)、反射光出光头(33)和光纤组件(34)；

所述平行光出光头(32)通过所述光纤组件(34)分别与所述光入射接头(31)和所述反射光出光头(33)光路连接；所述参考光电探测器(1)与所述平行光出光头(32)光路连接，所述测量光电探测器(2)与所述反射光出光头(33)光路连接。

2.根据权利要求1所述的参考与测量一体化的双功能光电探测器，其特征在于，所述参考光电探测器(1)包括第一管体(10)、第一光敏元件(11)、第一TO管帽(12)、第一TO管座(13)、第一TO管脚(14)和第一管帽透镜(15)；

所述第一光敏元件(11)、所述第一TO管帽(12)、所述第一TO管座(13)和所述第一管帽透镜(15)均设置在所述第一管体(10)内部，所述第一TO管脚(14)与所述第一TO管座(13)连接并伸出所述第一管体(10)外，所述第一TO管帽(12)罩设在所述第一TO管座(13)上，所述第一管帽透镜(15)镶嵌在所述第一TO管帽(12)上，所述第一光敏元件(11)固定在所述第一TO管座(13)上，并与所述第一TO管脚(14)电连接；所述第一TO管帽(12)、所述第一管帽透镜(15)和所述第一TO管座(13)合围而成所述参考气室，所述第一光敏元件(11)位于所述参考气室内并与所述第一管帽透镜(15)相对；

所述测量光电探测器(2)包括第二管体(20)、第二光敏元件(21)、第二TO管帽(22)、第二TO管座(23)、第二TO管脚(24)和第二管帽透镜(25)；

所述第二光敏元件(21)、所述第二TO管帽(22)、所述第二TO管座(23)和所述第二管帽透镜(25)均设置在所述第二管体(20)内部，所述第二TO管脚(24)与所述第二TO管座(23)连接并伸出所述第二管体(20)外，所述第二TO管帽(22)罩设在所述第二TO管座(23)上，所述第二管帽透镜(24)镶嵌在所述第二TO管帽(22)上，所述第二光敏元件(21)固定在所述第二TO管座(23)上，并与所述第二管帽透镜(25)相对，所述第二光敏元件(21)与所述第二TO管脚(24)电连接。

3.根据权利要求2所述的参考与测量一体化的双功能光电探测器，其特征在于，所述参考光电探测器(1)还包括第一陶瓷过渡块(16)；

所述第一陶瓷过渡块(16)固定在所述第一TO管座(13)上，且所述第一陶瓷过渡块(16)的上端面与所述第一TO管座(13)之间形成第一夹角；所述第一光敏元件(11)固定在所述第一陶瓷过渡块(16)的上端面上；

和/或，

所述测量光电探测器(2)还包括第二陶瓷过渡块(26)；

所述第二陶瓷过渡块(26)固定在所述第二TO管座(23)上，且所述第二陶瓷过渡块(26)的上端面与所述第二TO管座(23)之间形成第二夹角；所述第二光敏元件(21)固定在所述第二陶瓷过渡块(26)的上端面上。

4.根据权利要求3所述的参考与测量一体化的双功能光电探测器，其特征在于，所述第一夹角大于或等于4°，且小于45°；

和/或，

所述第二夹角大于或等于4°，且小于45°。

5.根据权利要求2所述的参考与测量一体化的双功能光电探测器，其特征在于，所述平行光出光头(32)包括准直透镜(321)、分光片(322)、钢包针(323)和第一宝塔套结构件(324)；

所述钢包针(323)设置在所述第一宝塔套结构件(324)内部，所述准直透镜(321)和所述分光片(322)均设置在所述钢包针(323)内部，且所述钢包针(323)通过所述第一宝塔套结构件(324)与所述第一管体(10)套接在一起；所述光入射接头(31)、所述光纤组件(34)、所述准直透镜(321)、所述分光片(322)和所述第一光敏元件(11)依次光路连接。

6.根据权利要求5所述的参考与测量一体化的双功能光电探测器，其特征在于，所述光纤组件(34)包括双孔光纤毛细管(341)；

所述准直透镜(321)通过所述双孔光纤毛细管(341)与所述光入射接头(31)光路连接。

7.根据权利要求6所述的参考与测量一体化的双功能光电探测器，其特征在于，所述双孔光纤毛细管(341)的两个毛细管之间的间距大于或等于135μm。

8.根据权利要求2所述的参考与测量一体化的双功能光电探测器，其特征在于，所述反射光出光头(33)包括光纤陶瓷插芯(331)和第二宝塔套结构件(332)；

所述光纤陶瓷插芯(331)设置在所述第二宝塔套结构件(332)内部，且所述光纤陶瓷插芯(331)通过所述第二宝塔套结构件(332)与所述第二管体(20)套接在一起；所述平行光出光头(32)、所述光纤组件(34)、所述光纤陶瓷插芯(331)和所述第二光敏元件(21)依次光路连接。

9.根据权利要求8所述的参考与测量一体化的双功能光电探测器，其特征在于，所述光纤陶瓷插芯(331)的出光端面为斜面，且所述斜面与水平方向之间的夹角大于或等于8°。

10.一种参考与测量一体化的检测***，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的参考与测量一体化的双功能光电探测器，还包括激光器和测量气室；

所述激光器通过所述测量气室与所述光入射接头(31)光路连接。

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