CN114280004A - 一种增加光程和抑制反射干扰的气体检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种增加光程和抑制反射干扰的气体检测装置，包括激光器、探测器和吸收池，所述气体检测装置还包括一套反射镜组；所述激光器和探测器布置在吸收池的同侧，所述反射镜组布置在吸收池与激光器和探测器相对的一侧；所述反射镜组包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜与激光器出光方向呈45度角布置在激光器的对侧，所述第二反射镜与第一反射镜呈90度角布置在探测器对侧，以确保激光器发出的光，经第一反射镜和第二反射镜反射后经吸收池射入探测器；所述第二反射镜为漫反射镜。本发明基于TDLAS气体检测技术，通过巧妙的光路设计，有效增加有效光程，而且还能够抑制反射光的干扰，检测灵敏度和精度均较高。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，特别涉及一种增加光程和抑制反射干扰的气体检测装置。
背景技术
TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)是可调谐半导体激光吸收光谱技术的简称。TDLAS气体检测技术是利用激光器波长调制通过被测气体的特征吸收区，在二极管激光器和长光程吸收池技术相结合的基础上发展起来的新的气体检测方法。TDLAS技术已经发展成为一种高灵敏度、高分辨率、高选择性及快速响应的气体检测技术。具体来说，半导体激光器发射出特定波长的激光束穿过被测气体时，被测气体对激光束进行吸收导致激光强度衰减，激光强度的衰减与被测气体含量成正比，因此通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。而由于气体分子吸收光谱特征各不相同，所以扫描得到谱线就如同“身份证”或“指纹”，在检测浓度的同时，还可以获知气体成分。
由Beer-Lambert吸收定律可知，气体对激光的吸收作用与激光通过待测气体的有效光程成正比。因此，在TDLAS气体检测技术，增加有效光程是提高检测灵敏度和检测精度的最有效的手段。现有技术通常采用增加吸收池的长度来增加有效光程，但是这样的方式会使检测设备的体积变得极为庞大，携带和使用均十分不便。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的至少一种技术问题，提供一种增加光程和抑制反射干扰的气体检测装置，基于TDLAS气体检测技术，通过巧妙的光路设计，有效增加有效光程，而且还能够抑制反射光的干扰，检测灵敏度和精度均较高。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种增加光程和抑制反射干扰的气体检测装置，包括激光器、探测器和吸收池，所述激光器和探测器的出光方向和探测方向正对吸收池，所述气体检测装置还包括一套反射镜组；所述激光器和探测器布置在吸收池的同侧，所述反射镜组布置在吸收池与激光器和探测器相对的一侧边；所述反射镜组包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜与激光器出光方向呈45度角布置在激光器的对侧，所述第二反射镜与第一反射镜呈90度角布置在探测器对侧，以确保激光器发出的光，经第一反射镜和第二反射镜反射后经吸收池射入探测器；所述第二反射镜为漫反射镜。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述第一反射镜为全反射镜。
进一步，所述反射镜组设置在吸收池的内侧边或外侧边。
优选的，所述气体检测装置还包括有封装框体，所述激光器、探测器、吸收池和反射镜组安装在封装框体内。
更优选的，所述封装框体内开设有固定吸收池的开口槽，所述开口槽的一侧设置有分别用于安装激光器和探测器的第一装配槽和第二装配槽。
更优选的，所述开口槽与激光器和探测器相对的一侧，或在吸收池内侧与激光器和探测器相对的一侧，开设有一对与吸收池的光路方向呈45度角的斜面；所述第一反射镜和第二反射镜分别固定安装在一对斜面上。
更优选的，所述第一装配槽和第二装配槽同轴设置在半导体封装内，所述半导体封装固定安装在开口槽的旁侧。
进一步，所述激光器为波长可调式激光器。
优选的，所述激光器包括套管和固定安装在套管尾部的连有连接线的底座，所述套管内固定安装有与连接线电性连接的激光芯片和发出激光的发光部件。
更优选的，所述套管的头部固定安装有准直镜。
本发明的有益效果是：本发明通过将激光器和探测器同侧布置，在对侧布置一套反射镜组，能够将有效光程，提高检测的灵敏度和精度；本发明考虑光路可逆原理，将第二反射镜设为漫反射镜，可以确保探测器的反射回光被漫反射镜发散反射，能够有效抑制探测器的反射回光对激光器的干扰。
附图说明
图1是本发明一种实施方式的结构示意图；
图2是本发明一种实施方式的封装结构示意图；
图3是图2的剖视结构示意图；
图4是本发明的激光器的结构示意图；
图5是本发明另一种实施方式的结构示意图；
图6是本发明另一种实施方式的封装结构示意图；
图中：
1、封装框体，2、激光器，2a，套管，2b、底座，2c、激光芯片，2d、发光部件，2e、准直镜，2f、连接线，3、探测器，4、吸收池，5、气体腔，6、第一反射镜，7、第二反射镜，8、第一装配槽，9、第二装配槽。
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。
如图1～图3所示，本发明一种实施方式设计的一种增加光程和抑制反射干扰的气体检测装置，包括激光器2、探测器3和吸收池4，所述激光器2和探测器3的出光方向和探测方向正对吸收池4。本发明的检测装置是一种基于TDLAS气体检测技术的检测装置，激光器2发出的光经吸收池4的气体腔5内的被测气体吸收后，由探测器3接收。
所述气体检测装置还包括一套反射镜组。本发明的所述激光器2和探测器3布置在吸收池4的同侧，所述反射镜组布置在吸收池4与激光器2和探测器3相对的一侧边。所述反射镜组包括第一反射镜6和第二反射镜7，所述第一反射镜6与激光器2出光方向呈45度角布置在激光器2的对侧，所述第二反射镜7与第一反射镜6呈90度角布置在探测器3对侧。所述反射镜组可以安装在吸收池4的气体腔5内，也可以安装在吸收池4的外侧。上述结构可以确保激光器2发出的光，经第一反射镜6和第二反射镜7的两次反射后经吸收池4射入探测器3。
其中，所述第二反射镜7采用漫反射镜。
上述实施方式优选的，所述第一反射镜6为全反射镜。
本发明主要考虑采用光路设计增加光程。通过设计一组反射镜组后，激光器2发出的光射入吸收池4后，经第一反射镜6反射后，方向改变90度后射向第二反射镜7，经第二反射镜7反射后，部分光的方向改变90度后射向探测器3，探测器3接收到反射光后可以采集数据检测吸收池4的气体腔5内的气体。上述的光路设计，激光器2发出的光在射入吸收池4后，经另一侧射出，有效光设为L1，经反射后，反射光经吸收池4后射向探测器3，这个反射过程的有效光程也为L1，那么有效光程经一个来回的反射后可以提高一倍。而且基于光路的可逆原理，入射到探测器3端面上的光，部分会发生反射，这些反射光可以顺着原光路的逆向入射到激光器2的发射端面，从而对激光器2的工作产生干扰。本发明中的第二反射镜7为漫反射镜，可以使得探测器3端面上的反射光，入射到第二反射镜7时，大部分发生漫反射到各方向，仅有少量的光可以顺着原光路的逆向入射到激光器2的发射端面，从而大大减少了对激光器2的影响。
在上述实施方式中，本发明还能进行以下的进一步改进。在改进方案中，所述气体检测装置还包括有封装框体1，所述激光器2、探测器3、吸收池4和反射镜组安装在封装框体1内。
设置封装框体1后，可以将本装置的各个核心部件全部封装到封装框体1内，形成一个整体。这样可以使得本装置的各个部件的位置稳定，相对角度的设置也较为精确，有效提高检测精度。同时，封装成为一个整体后，也便于本装置与大型检测设备的对接和装卸。
在上述改进方案中，本发明还能进行以下的进一步改进。在进一步改进方案中，所述封装框体1内开设有固定吸收池4的开口槽，所述开口槽的一侧设置有分别用于安装激光器2和探测器3的第一装配槽8和第二装配槽9。
更优选的，所述第一装配槽8和第二装配槽9同轴设置在半导体封装内，所述半导体封装固定安装在开口槽的旁侧。
上述进一步改进，可以确保激光器2和探测器3的安装精度。
在上述改进方案中，本发明还能进行以下另一处的进一步改进。在进一步改进方案中，所述开口槽与激光器2和探测器3相对的一侧，开设有一对与吸收池4的光路方向呈45度角的斜面。所述第一反射镜6和第二反射镜7分别固定安装在一对斜面上。
上述进一步改进，可以确保反射镜组的安装精度。
如图4所示，本发明还有第二种实施方式，本实施方式与第一种实施方式的结构基本相同，区别在于激光器2的具体结构。
本实施方式的激光器2选用波长可调式激光器。这类激光器的波长可以调节，可以应对类型更广的气体的检测。
在上述实施方式中，本发明还能进行以下的进一步改进。在改进方案中，所述激光器2包括套管2a和固定安装在套管2a尾部的连有连接线2f的底座2b。所述套管2a内固定安装有与连接线2f电性连接的激光芯片2c和发出激光的发光部件2d。也就是采用半导体封装的技术，将激光芯片2c和其对应的发光部件2d封装到套管2a内，并连接连接线2f。以光芯片2c和发光部件2d可以依据需要发出不同波长的激光，以满足检测需要。
在上述改进方案中，本发明还能进行以下的进一步改进。在进一步改进方案中，所述套管2a的头部固定安装有准直镜2e。
上述进一步改进，可以确保激光器2的精度。
如图5、图6所示，本发明还有第三种实施方式，本实施方式与第一种实施方式的结构基本相同，也可以采用第二种实施方式的激光器2，区别在于反射镜组的结构。
本实施方式中，所述反射镜组安装设置在吸收池4内，也就是设置在吸收池4的气体腔5内。而反射镜组的安装，可以采用第一种实施方式中公布的方式。
本实施方式中，激光器2发出的光，射入吸收池4内后，以45度角入射到第一反射镜6，有效光程为L1；第一反射镜6全反射入射光，光路的方向变为与原方向垂直，而后入射到第二反射镜7，此过程的有效光程为L2；入射到第二反射镜7上的光，发生漫反射，部分光被反射，方向与初始激光器2发射的相反方向，而后入射到探测器3，此过程的有效光程为L1。这样在有限的空间内，实现了(2×L1+L2)的有效光程，有效光程提高了一倍以上，从而更有利于测量的精度。
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)
1.一种增加光程和抑制反射干扰的气体检测装置，包括激光器(2)、探测器(3)和吸收池(4)，所述激光器(2)和探测器(3)的出光方向和探测方向正对吸收池(4)，其特征在于，所述气体检测装置还包括一套反射镜组；所述激光器(2)和探测器(3)布置在吸收池(4)的同侧，所述反射镜组布置在吸收池(4)与激光器(2)和探测器(3)相对的一侧边；所述反射镜组包括第一反射镜(6)和第二反射镜(7)，所述第一反射镜(6)与激光器(2)出光方向呈45度角布置在激光器(2)的对侧，所述第二反射镜(7)与第一反射镜(6)呈90度角布置在探测器(3)对侧，以确保激光器(2)发出的光，经第一反射镜(6)和第二反射镜(7)反射后经吸收池(4)射入探测器(3)；所述第二反射镜(7)为漫反射镜。
2.根据权利要求1所述的一种增加光程和抑制反射干扰的气体检测装置，其特征在于：所述第一反射镜(6)为全反射镜。
3.根据权利要求1所述的一种增加光程和抑制反射干扰的气体检测装置，其特征在于：所述反射镜组设置在吸收池(4)的内侧边或外侧边。
4.根据权利要求3所述的一种增加光程和抑制反射干扰的气体检测装置，其特征在于：所述气体检测装置还包括有封装框体(1)，所述激光器(2)、探测器(3)、吸收池(4)和反射镜组安装在封装框体(1)内。
5.根据权利要求4所述的一种增加光程和抑制反射干扰的气体检测装置，其特征在于：所述封装框体(1)内开设有固定吸收池(4)的开口槽，所述开口槽的一侧设置有分别用于安装激光器(2)和探测器(3)的第一装配槽(8)和第二装配槽(9)。
6.根据权利要求4所述的一种增加光程和抑制反射干扰的气体检测装置，其特征在于：所述开口槽与激光器(2)和探测器(3)相对的一侧，或在吸收池(4)内侧与激光器(2)和探测器(3)相对的一侧，开设有一对与吸收池(4)的光路方向呈45度角的斜面；所述第一反射镜(6)和第二反射镜(7)分别固定安装在一对斜面上。
7.根据权利要求5所述的一种增加光程和抑制反射干扰的气体检测装置，其特征在于：所述第一装配槽(8)和第二装配槽(9)同轴设置在半导体封装内，所述半导体封装固定安装在开口槽的旁侧。
8.根据权利要求1所述的一种增加光程和抑制反射干扰的气体检测装置，其特征在于：所述激光器(2)为波长可调式激光器。
9.根据权利要求8所述的一种增加光程和抑制反射干扰的气体检测装置，其特征在于：所述激光器(2)包括套管(2a)和固定安装在套管(2a)尾部的连有连接线(2f)的底座(2b)，所述套管(2a)内固定安装有与连接线(2f)电性连接的激光芯片(2c)和发出激光的发光部件(2d)。
10.根据权利要求9所述的一种增加光程和抑制反射干扰的气体检测装置，其特征在于：所述套管(2a)的头部固定安装有准直镜(2e)。
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