一种适用农业种养殖环境的便携式激光二氧化碳检测装置的制作方法

本实用新型属于检测技术领域，具体涉及一种适用农业种养殖环境的便携式激光二氧化碳检测装置，特别适用于农业种养殖环境内的二氧化碳含量检测，也适用于其他场合的空气中二氧化碳含量测量。

背景技术：

通常的便携式二氧化碳检测仪都是采用电化学原理，由电化学内的特定化学物质和气体环境中的二氧化碳发生化学反应，产生电流，通过检测该电流信号实现对气体浓度的测量。由于探头内的化学物质在工作时发生不可逆的化学反应从而产生消耗，使得这种原理的的探头在农业种养殖环境这种二氧化碳浓度较高的场合寿命较短，并且在浓度过高的场合下会导致探头内的有效化学成分迅速失效，造成探头中毒的后果。

基于光谱吸收原理的激光气体检测方法，是常用的气体检测方法，主要是利用半导体激光器的波长可调谐以及光谱宽度窄的特性，通过选择待测气体的吸收波长进行测量，可排除被测气体外的气体干扰，实现气体浓度的快速检测。基于光谱吸收原理的激光气体检测装置，由于激光器的正常工作时间可达5年以上，同时是一种无损检测，可大大提高检测装置的使用寿命，并且可以显著增大探头的测量浓度范围。

基于激光原理的气体测量装置通常采用DFB分布式反馈激光器作为光源，这种光源发光功率大，可在空间距离很长的路径下工作，获得较高的测量分辨率，这种激光光源更适用于尺寸较大的固定式气体分析装置中，而不实用于有对低功耗要求的便携式气体检测装置中。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种适用农业种养殖环境的便携式激光二氧化碳检测装置。该装置可以提高探头的使用寿命，扩大探头测量气体的浓度范围，更加适合于使用在农业种养殖环境这种二氧化碳含量较高的场合。另外，本装置使用VCSEL垂直腔面发射激光器作为激光光源，这种激光器工作电流极低，更适合适用于低功耗的便携式气体检测装置中。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

一种适用农业种养殖环境的便携式激光二氧化碳检测装置，包括VCSEL激光器，所述VCSEL激光器分别与半导体制冷器和恒流电源连接，所述VCSEL激光器发出激光通过单模光纤与光功率分配器连接，从光功率分配器输出的一路由单模光纤与自聚焦准直透镜连接，通过自聚焦准直透镜发出信号由第一光电探测器接收，所述自聚焦准直透镜和第一光电探测器同时固定于石英板上，所述自聚焦准直透镜、第一光电探测器和石英板同时处于被测气体氛围中；

从光功率分配器输出的另一路通过单模光纤与第二光电探测器连接，所述第二光电探测器与第一光电探测器型号相同，所述第一光电探测器和第二光电探测器依次与模数转换器、单片机连接，所述单片机与LCD显示屏连接。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

（1）由于采用了激光光谱吸收法，避免了高浓度二氧化碳环境下传感器探头寿命短和容易超量程中毒的问题，使得使用寿命可提高至5年以上。

（2）由于采用光谱吸收技术，使用特定的波长检测特定的气体，不受其他无关气体的干扰，特别是不受空气中的水气干扰。

（3）使用垂直腔面发射激光器VCSEL作为激光光源，比通常用于气体分析的激光气体分析仪功耗显著降低，更加适用于便携式设备。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；附图中，各部件的标号如下。

1、恒流电源， 2、 VCSEL激光器， 3、半导体制冷器 4、光功率分配器 5、自聚焦准直透镜， 6、第一光电探测器， 7、石英板， 8、模数转换器， 9、单片机，10、LCD液晶屏，11，第二光电探测器，12、单模光纤。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的技术方案作进一步详细描述。

如图1所示，一种适用农业种养殖环境的便携式激光二氧化碳检测装置，包括VCSEL激光器，所述VCSEL激光器分别与半导体制冷器和恒流电源连接，所述VCSEL激光器发出激光通过单模光纤与光功率分配器连接，从光功率分配器输出的一路由单模光纤与自聚焦准直透镜连接，通过自聚焦准直透镜发出信号由第一光电探测器接收，所述自聚焦准直透镜和第一光电探测器同时固定于石英板上，所述自聚焦准直透镜、第一光电探测器和石英板同时处于被测气体氛围中；

从光功率分配器输出的另一路通过单模光纤与第二光电探测器连接，所述第二光电探测器与第一光电探测器型号相同，所述第一光电探测器和第二光电探测器依次与模数转换器、单片机连接，所述单片机与LCD显示屏连接。

其中，所述VCSEL激光器2为发射的激光波长为1.57微米，所述光功率分配器4功率分配比为50％：50%，通光波长范围为1.51微米至1.59微米。所述自聚焦准直透镜5焦距为10cm，匹配光纤类型为单模光纤。

所述模数转换器8 采用16位AD8328双通道电流型模数转换芯片，所述单片机9采用STM32F103VCT6，所述的LCD液晶屏10为LCD12864，当然并不限于这些型号。

采用本实用新型提供的便携式激光二氧化碳检测装置的具体工作过程为：

由恒流电源1产生稳定的直流电流输入到VCSEL激光器2，半导体制冷器3调节VCSEL激光器2的工作温度保持在25℃，VCSEL激光器2在稳定的工作温度和电流条件下时发出功率和波长稳定的激光信号，由单模光纤12输出；激光信号输入到光功率分配器4后，光信号被分为功率等于输入信号一半的两等份。

从光功率分配器4输出的其中一路信号通过自聚焦准直透镜5发出，经过一定距离后，由第一光电探测器6接收；另一路信号通过单模光纤12进入第二光电探测器11，自聚焦准直透镜5和第一光电探测器6同时固定于石英板7上。自聚焦准直透镜5、第一光电探测器6和石英板7同时处于被测气体环境中，光线可以穿过被测气体。从光功率分配器4输出的另一路信号输入到同型号的第二光电探测器11上。

两个光电探测器同时把接受到的光信号转换为对应的光电流信号。通过模数转换器8对两路电流信号进行采集，其采集结果由数字信号形式输出到单片机9中，单片机对两路数字量结果进行比例运算，计算的比值可以表征光信号被气体吸收的程度，也就是对应的气体浓度。单片机将计算结果显示到LCD液晶屏12中。

整个系统通过锂电池进行供电。

本实用新型提供的一种便携式二氧化碳检测装置，采用激光光谱吸收检测的方式对空气中二氧化碳体积比含量进行测量，不受除二氧化碳意外的其他气体影响，不会因二氧化碳浓度过高而失效。激光检测方式为无损检测，避免了因化学反应引起的探头寿命短的问题，大大提高了检测装置的使用周期。使用垂直腔面发射激光器VCSEL代替分布式反馈DFB激光器作为光源，是的整个装置的功耗显著下降，使得检测装置能使用锂电池供电，降低了检测装置的重量，提高了户外连续工作时间。因此使得这种便携式二氧化碳检测装置非常适用于农业种养殖环境内的二氧化碳测量。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明进行作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。