CN115372313A - 基于tdlas技术的检测光路和检测*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于TDLAS技术的检测光路和检测***，光路包括激光测量单元和光路反射单元，激光测量单元包括测量激光器、指示激光器、合束器、离轴抛物面镜和探测器，光路反射单元包括回射器；测量激光与指示激光通过合束器形成同轴合束激光，同轴合束激光通过中心带通孔的离轴抛物面镜出射，经过待测烟气吸收后被回射器原路反射，反射光经过离轴抛物面镜聚焦到探测器进行探测。该光路通过回射器将照射光原路反射，且不受照射光相对回射器中心轴线夹角的影响，有效提高了测量***在振动环境下的稳定性，且便于光路中设备的安装和光路的调试。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，特别涉及一种基于TDLAS技术的检测光路和检测***。
背景技术
中红外TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，可调谐半导体激光吸收光谱）技术是一种基于气体分子中红外波段的基频振动吸收，利用二极管激光器的波长可调谐特性，高分辨地获得被测气体特征吸收光谱，从而对目标气体进行定量分析的一种光谱检测技术。中红外TDLAS技术以其高灵敏度、高选择性、实时在线等特性逐渐应用于工业中各成分的浓度检测。
相关技术在测量加热炉中气体成分时，一般将测量装置安装在加热炉炉壁上，但加热炉中温度高达数百甚至上千度，安装在加热炉壁上的探测光路由于炉壁的热不稳定性，造成光路抖动比较严重。并且，中红外探测器感光面较小（一般在1mm2，大尺寸中红外探测器价格非常昂贵），经常出现光路偏移的情况，严重影响了***的稳定运行。在利用中红外TDLAS技术测量气体时，由于所用的激光器出射中红外光不在可见光范围内，且出射光功率低（通常只有几个毫瓦），低功率的中红外光检测非常困难（一般的热敏检测卡对低功率中红外光不响应或响应较弱，不容易观察），在***安装或光路跑偏调试时无法直观地看到光斑照射方向和位置，给设备的安装和光路的调试造成很大困扰。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种基于TDLAS技术的检测光路和检测***，以提高测量***在振动环境下的稳定性，且方便光路中设备的安装和光路的调试。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种基于TDLAS技术的检测光路，所述光路包括激光测量单元和光路反射单元，所述激光测量单元包括测量激光器、指示激光器、合束器、离轴抛物面镜和探测器，所述光路反射单元包括回射器；其中，所述测量激光器，用于发射测量激光信号；所述指示激光器，用于发射指示激光信号；所述合束器，用于将所述测量激光信号和所述指示激光信号合并，得到合并激光信号；所述离轴抛物面镜，具有第一开孔，其中，所述合并激光信号通过所述第一开孔后在待测气体中传输；所述回射器，用于对通过所述待测气体的合并激光信号进行反射，得到反射激光信号，其中，所述反射激光信号沿所述合并激光信号的光路返回至所述离轴抛物面镜，并经所述离轴抛物面镜聚焦，得到聚焦信号；所述探测器，用于将所述聚焦信号转换成电信号。
另外，本发明上述实施例的基于TDLAS技术的检测光路还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，基于TDLAS技术的检测光路还包括：所述测量激光器采用带间级联激光器ICL或者量子级联激光器QCL，所述指示激光器采用532nm激光器或者632nm激光器。
根据本发明的一个实施例，基于TDLAS技术的检测光路还包括：所述回射器包括空心角反射镜，所述空心角反射镜包括第一镜面、第二镜面和第三镜面，其中，所述第一镜面、所述第二镜面和第三镜面两两相互垂直，且合并激光信号的光路落在三镜面形成的空心角内。
根据本发明的一个实施例，所述合束器与所述测量激光信号、所述指示激光信号的夹角均为45°。
根据本发明的一个实施例，基于TDLAS技术的检测光路还包括：所述合束器包括二向色镜，所述二向色镜的两个镜面之间的夹角为预设角度，所述二向色镜用于：对所述测量激光信号透射，对所述指示激光信号反射；或者，对所述测量激光信号反射，对所述指示激光信号透射。
根据本发明的一个实施例，所述二向色镜采用ZnSe或CaF2作为基底材料，所述基底材料表面设有镀膜。
根据本发明的一个实施例，基于TDLAS技术的检测光路还包括：所述合束器包括反射镜，所述反射镜具有第二开孔，所述第二开孔与所述第一开孔平行。
根据本发明的一个实施例，所述第二开孔的直径小于所述第一开孔的直径。
根据本发明的一个实施例，所述测量激光器、所述离轴抛物面镜和所述回射器的设置位置，根据所述指示激光信号经合束器后的照射位置和方向确定。
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种基于TDLAS技术的检测***，所述***包括：上述的检测光路；上位机，与所述检测光路中的探测器连接，用于根据所述电信号得到所述待测气体的浓度。
本发明实施例的基于TDLAS技术的检测光路和检测***，通过回射器将照射光原路反射，且不受照射光相对回射器中心轴线夹角的影响，有效地提高了测量***在振动环境下的稳定性，且便于光路中设备的安装和光路的调试。
附图说明
图1是本发明一个实施例的基于TDLAS技术的检测光路的结构图；
图2是本发明一个实施例的空心角反射镜的结构图；
图3是本发明一个实施例的合束器包括二向色镜的检测光路的结构图；
图4是本发明一个实施例的合束器包括反射镜的检测光路的结构图；
图5是本发明一个实施例的基于TDLAS技术的检测***的结构框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的基于TDLAS技术的检测光路和检测***。
图1是本发明一个实施例的基于TDLAS技术的检测光路的结构图。
如图1所示，检测光路100包括：激光测量单元101和光路反射单元102，激光测量单元101包括测量激光器11、指示激光器12、合束器13、离轴抛物面镜14和探测器15，光路反射单元102包括回射器16。
其中，测量激光器11，用于发射测量激光信号；指示激光器12，用于发射指示激光信号；合束器13，用于将测量激光信号和指示激光信号合并，得到合并激光信号；离轴抛物面镜14，具有第一开孔，其中，合并激光信号通过第一开孔后在待测气体中传输；回射器16，用于对通过待测气体的合并激光信号进行反射，得到反射激光信号，其中，反射激光信号沿合并激光信号的光路返回至离轴抛物面镜14，并经离轴抛物面镜14聚焦，得到聚焦信号；探测器15，用于将聚焦信号转换成电信号。
该检测光路，通过回射器将照射光原路反射，且不受照射光相对回射器中心轴线夹角的影响，有效地提高了测量***在振动环境下的稳定性，且便于光路中设备的安装和光路的调试。
在一些实施例中，测量激光器11可采用带间级联激光器ICL或者量子级联激光器QCL，指示激光器可采用532nm激光器或者632nm激光器。
在一些实施例中，参见图1，回射器16包括空心角反射镜，如图2所示，空心角反射镜包括第一镜面21、第二镜面22和第三镜面23，其中，第一镜面21、第二镜面22和第三镜面23两两相互垂直，且合并激光信号的光路落在三镜面形成的空心角内，使得入射至空心角的合并激光信号可在每个镜面反射一次。由此，可将通过待测气体的合并激光信号完全反射，任意夹角入射光经反射镜后，出射光都能与入射光保持平行，可保证后续气体检测准确性。
具体地，第一镜面21可分为2、3两个反射区域，第二镜面22可分为4、5两个反射区域，第三镜面23可分为1、6两个反射区域。6种可能的反射顺序如图2所示，这些顺序适用于和回射器16法线轴近似平行的光束，箭头表示光束路径，圆点表示反射。例如：入射光射入反射区域4，经过一次反射再射入区域3，经过一次反射再射入区域1，经过一次反射射出。
在一些实施例中，参见图1，合束器13与测量激光信号、指示激光信号的夹角均为45°，以保证将测量激光信号、指示激光信号完全合并，便于后续气体的准确性测量。
如图3所示，在一些实施例中，合束器13包括二向色镜20。当测量激光器11与指示激光器12采用图2所示的位置安装时，二向色镜20用于对测量激光信号透射，对指示激光信号反射。当测量激光器11与指示激光器12位置互换，二向色镜20用于对测量激光信号反射，对指示激光信号透射。
具体地，为了降低激光穿过二向色镜时引入的干涉影响，二向色镜的两个镜面之间具有一定的夹角，该夹角可为0.5°。
在一些实施例中，二向色镜采用ZnSe或CaF2作为基底材料，基底材料表面设有镀膜。其中，当测量激光器11与指示激光器12采用图3所示的位置安装时，镀膜可增强测量激光的透射率和指示激光的反射率；当测量激光与指示激光位置互换时，镀膜可增强测量激光的反射率和指示激光的透射率。
如图4所示，在另一些实施例中，合束器13包括反射镜30，反射镜30具有第二开孔，第二开孔与第一开孔平行，第二开孔的直径小于第一开孔的直径。
作为一个示例，第二开孔在前述平行方向上的投影，完全在第一开孔在前述平行方向上的投影中，以便保证第二开孔出射的激光信号可完全通过第一开孔。其中，第一开孔、第二开孔的中心投影可重合。
在一些实施例中，测量激光器、离轴抛物面镜和回射器的设置位置，可根据指示激光信号经合束器后的照射位置和方向确定。
具体地，合束器13合束后的合并激光信号中指示激光信号的照射方向和位置可代表测量激光信号的照射方向和位置，由此可指导测量激光器11与离轴抛物面镜14和回射器16的相对位置调整。
综上，本发明实施例的基于TDLAS技术的检测光路，通过回射器将照射光原路反射，且不受照射光相对回射器中心轴线夹角的影响，有效地提高了测量***在振动环境下的稳定性；通过合并激光信号中指示激光信号的照射方向和位置代表测量激光的照射方向和位置，可指导测量激光器相对离轴抛物面镜和回射器的位置调整，即便于光路中设备的安装和光路的调试。
图5是本发明一个实施例的基于TDLAS技术的检测***的结构框图。
如图5所示，基于TDLAS技术的检测***400包括：检测光路100和上位机401。上位机401与检测光路100中的探测器15连接，用于根据电信号得到待测气体的浓度。
在一些实施例中，上位机401还可与检测光路100中的测量激光器11连接。其中，测量激光器11可包括驱动器和激光器，驱动器与上位机401连接，用于在上位机401的控制下输出驱动电流和驱动温度；激光器与驱动器连接，用于在驱动电流和驱动温度的作用下，发射激光信号。由此，上位机401可实现激光信号驱动和探测，并根据探测到的电信号分析得到待测气体的浓度。
本发明实施例的基于TDLAS技术的检测***，通过上述的检测光路，有效地提高了测量***在振动环境下的稳定性，且便于光路中设备的安装和光路的调试。
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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
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。
Claims (10)
1.一种基于TDLAS技术的检测光路，其特征在于，所述光路包括激光测量单元和光路反射单元，所述激光测量单元包括测量激光器、指示激光器、合束器、离轴抛物面镜和探测器，所述光路反射单元包括回射器；其中，
所述测量激光器，用于发射测量激光信号；
所述指示激光器，用于发射指示激光信号；
所述合束器，用于将所述测量激光信号和所述指示激光信号合并，得到合并激光信号；
所述离轴抛物面镜，具有第一开孔，其中，所述合并激光信号通过所述第一开孔后在待测气体中传输；
所述回射器，用于对通过所述待测气体的合并激光信号进行反射，得到反射激光信号，其中，所述反射激光信号沿所述合并激光信号的光路返回至所述离轴抛物面镜，并经所述离轴抛物面镜聚焦，得到聚焦信号；
所述探测器，用于将所述聚焦信号转换成电信号。
2.根据权利要求1所述的基于TDLAS技术的检测光路，其特征在于，所述测量激光器采用带间级联激光器ICL或者量子级联激光器QCL，所述指示激光器采用532nm激光器或者632nm激光器。
3.根据权利要求1所述的基于TDLAS技术的检测光路，其特征在于，所述回射器包括空心角反射镜，所述空心角反射镜包括第一镜面、第二镜面和第三镜面，其中，所述第一镜面、所述第二镜面和第三镜面两两相互垂直，且合并激光信号的光路落在三镜面形成的空心角内。
4.根据权利要求1所述的基于TDLAS技术的检测光路，其特征在于，所述合束器与所述测量激光信号、所述指示激光信号的夹角均为45°。
5.根据权利要求4所述的基于TDLAS技术的检测光路，其特征在于，所述合束器包括二向色镜，所述二向色镜的两个镜面之间的夹角为预设角度，所述二向色镜用于：
对所述测量激光信号透射，对所述指示激光信号反射；或者，
对所述测量激光信号反射，对所述指示激光信号透射。
6.根据权利要求5所述的基于TDLAS技术的检测光路，其特征在于，所述二向色镜采用ZnSe或CaF2作为基底材料，所述基底材料表面设有镀膜。
7.根据权利要求4所述的基于TDLAS技术的检测光路，其特征在于，所述合束器包括反射镜，所述反射镜具有第二开孔，所述第二开孔与所述第一开孔平行。
8.根据权利要求7所述的基于TDLAS技术的检测光路，其特征在于，所述第二开孔的直径小于所述第一开孔的直径。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的基于TDLAS技术的检测光路，其特征在于，所述测量激光器、所述离轴抛物面镜和所述回射器的设置位置，根据所述指示激光信号经合束器后的照射位置和方向确定。
10.一种基于TDLAS技术的检测***，其特征在于，所述***包括：
根据权利要求1-9中任一项所述的检测光路；
上位机，与所述检测光路中的探测器连接，用于根据所述电信号得到所述待测气体的浓度。
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