一种反射式光纤粉尘浓度测量系统的制作方法

本发明涉及粉尘浓度测量领域，尤其涉及一种反射式光纤粉尘浓度测量系统。

背景技术：

粉尘浓度的测量方法主要包括光学分析法与非光学分析法，非光学分析法由于检测设备响应速度慢、处理复杂，难以对粉尘浓度进行实时监测。而基于光学分析的粉尘浓度测量技术具有探测灵敏度高、选择性强、响应速度快等特点，适合现场实时监测，且成本较低，是以后粉尘浓度测量的理想方法。

现有的手持粉尘浓度测量装置必须要求操作人员在现场进行测量，而在类似于煤矿矿井等粉尘浓度高的环境中，操作人员在测量时必须做好防尘措施，不然会损伤呼吸道，影响健康。现有的化学反应式粉尘浓度传感器，需要对空气粉尘进行采集处理，具有测量时延差，无法进行实时测量；电式粉尘浓度测量装置安全性较差，当矿井粉尘浓度过高时，轻微的电火花会引发矿井爆炸的风险。而对于光纤式粉尘浓度传感器，利用光纤进行光信号远距离传播，可以实现远程测量，但是测量仪器位于高粉尘区域，长期使用后仪器表面或仪器内会有粉尘沉积，增加激光在传输器件表面的损耗，使得激光的传输效果受到影响，进而影响测量精度。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种反射式光纤粉尘浓度测量系统，通过光纤将光信号传输至测量区域，测量部分中包含的反射区将测量后的激光按照原路返回，再经光纤传回，实现同一根光纤传输两个不同方向的激光，节约了激光远程传输的成本。

一种反射式光纤粉尘浓度测量系统，包括测量部分、光源部分、定向耦合器部分、信号转换部分，光源部分、信号转换部分分别与定向耦合器部分连接，测量部分与定向耦合器部分通过光纤连接，测量部分位于测量现场，测量部分远离光源部分、信号转换部分、定向耦合器部分；测量部分包括激光调整端、衰减区、反射端，其中激光调整端与反射端之间为衰减区，衰减区内为含有粉尘的待测气体；光源部分产生激光并将激光传送至定向耦合器部分，定向耦合器部分通过光纤将激光传送至测量部分，激光进入测量部分首先通过激光调整端的调整然后射入衰减区进行测量衰减，再垂直射入反射端，反射端将激光反射并依次穿过衰减区、激光调整端后由光纤传输回定向耦合器部分，定向耦合器部分将反射后的激光传输至信号转换部分。

进一步的,定向耦合器部分包括第一定向耦合器与第二定向耦合器，光纤包括第一光纤与第二光纤，信号转换部分包括第一探测器与第二探测器，其中第一定向耦合器、第二定向耦合器分别与光源部分连接，第一定向耦合器与第一光纤的首端连接，第二定向耦合器与第二光纤的首端连接，第一光纤与第二光纤的末端均与激光调整端连接；第一探测器与第一定向耦合器连接，第二探测器与第二定向耦合器连接，第一探测器与第二探测器将接收到的光信号转化为电信号。

进一步的，光源部分包括依次连接的激光器、耦合器、分束器，其中激光器发射激光并经过耦合器耦合后传入分束器，分束器将激光分为第一光路与第二光路，第一光路进入第一定向耦合器后经第一光纤传输至激光调整端，第二光路进入第二定向耦合器后经第二光纤传输至激光调整端。

进一步的,激光调整端包括第一激光调整端、第二激光调整端，衰减区分为第一衰减区、第二衰减区，反射端包括第一反射端、第二反射端，其中第一衰减区位于第一激光调整端与第一反射端之间，第二衰减区位于第二激光调整端与第二反射端之间；第一激光调整端与第一光纤末端连接，第二激光调整端与第二光纤末端连接；第一光路由第一激光调整端调整后传输至第一衰减区进行衰减，测量衰减后的第一光路垂直射入第一反射端，第二光路由第二激光调整端调整后传输至第二衰减区进行衰减，测量衰减后的第二光路垂直射入第二反射端；第一光路在第一衰减区的光程大于第二光路在第二衰减区的光程。

进一步的,测量部分还包括连接杆，其中激光调整端与反射端通过连接杆固定连接。

进一步的,第一激光调整端包括第一准直器与第一平透镜，第二激光调整端包括第二准直器与第二平透镜，其中第一光路经过第一准直器准直后由第一平透镜射出并射入第一衰减区；第二光路经过第二准直器准直后由第二平透镜输出并射入第二衰减区。

进一步的,第一反射端包括第三平透镜与第一反射镜，第二反射端包括第四平透镜与第二反射镜，其中第一反射镜安装在第三平透镜之后，第二反射镜安装在第四平透镜之后；第一光路经过第一衰减区衰减后从第三平透镜射入第一反射镜，第二光路经过第二衰减区衰减后从第四平透镜射入第二反射镜。

进一步的，第一激光调整端还包括第一单透镜整形器，第二激光调整端还包括第二单透镜整形器，其中第一单透镜整形器安装在第一准直器与第一平透镜之间，第一光路经第一准直器准直后，经第一单透镜整形器将激光能量均匀化再通过第一平透镜照射到第一衰减区；第二单透镜整形器安装在第二准直器与第二平透镜之间第二光路经第二准直器准直后，经第二单透镜整形器将激光能量均匀化再通过第二平透镜照射到第二衰减区。

进一步的,还包括数据处理部分，其中数据处理部分与第一探测器与第二探测器连接，第一探测器与第二探测器将电信号发送至数据处理部分进行处理。

本发明的一种反射式光纤粉尘浓度测量系统，具有以下有益效果：

1、设置定向耦合器以及反射式测量方法，使用同一根光纤完成一条光路上输入测量部分的激光和输出测量部分的激光的传输，节约成本；

2、利用光纤远距离传输光信号，实现远程测量粉尘浓度；

3、反射式测量方法可以使测量距离加倍，或者在同样的测量距离上可以使测量部分的体积减小一半；

4、双光路测量方法，利用差分运算消除测量误差，提高测量精度；

5、利用单透镜整形器对准直器的输出光进行能量平均化处理，使得对于粉尘浓度的测量在均匀分布的光场下进行，可改善测量空间范围内粉尘浓度的非均匀分布问题对测量结果的不利影响；

6、测量部分为纯光学结构，放置于测量现场非常安全；

7、采用准直器对光纤输出的激光进行扩束，可以提高测量区域截面积，其测量结果能反映较大空间中粉尘浓度的平均测量效果。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明的一种反射式光纤粉尘浓度测量系统第一个实施例的组成图；

图2为本发明的一种反射式光纤粉尘浓度测量系统第一个实施例的测量部分组成图；

图3为本发明的一种反射式光纤粉尘浓度测量系统第二个实施例的组成图；

图4为本发明的一种反射式光纤粉尘浓度测量系统第三个实施例的组成图；

图5为本发明的一种反射式光纤粉尘浓度测量系统第四个实施例的组成图；

图6为本发明的一种反射式光纤粉尘浓度测量系统第五个实施例的结构图；

图7为本发明的一种反射式光纤粉尘浓度测量系统第六个实施例的结构图；

其中：1-测量部分、2-光源部分、3-定向耦合器部分、4-信号转换部分、5-光纤、6-激光调整端、7-衰减区、8-反射端、9-第一定向耦合器、10-第二定向耦合器、11-第一光纤、12-第二光纤、13-第一探测器、14-第二探测器、15-第一光路、16-第二光路、17-激光器、18-耦合器、19-分束器、20-第一激光调整端、21-第二激光调整端、22-第一衰减区、23-第二衰减区、24-第一反射端、25-第二反射端、26-连接杆、27-第一准直器、28-第一平透镜、29-第二准直器、30-第二平透镜、31-第三平透镜、32-第一反射镜、33-第四平透镜、34-第二反射镜、35-第一单透镜整形器、36-第二单透镜整形器。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，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，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的第一个实施例的一种反射式光纤粉尘浓度测量系统，包括测量部分1、光源部分2、定向耦合器部分3、信号转换部分4，光源部分2、信号转换部分4分别与定向耦合器部分3连接，测量部分1与定向耦合器部分3通过光纤5连接，光纤5与测量部分1以及定向耦合器部分3之间的连接方式本实施例不做限定，优选的，采用法兰连接。测量部分1位于测量现场，测量部分1远离光源部分2、信号转换部分4、定向耦合器部分3，由于测量部分1与定向耦合器部分3通过光纤5连接，所以通过光纤5将光信号进行远距离传输，操作人员只需在远离测量现场的位置操作光源部分2与信号转换部分4便可实现粉尘浓度的远程测量。如图2所示，测量部分1包括激光调整端6、衰减区7、反射端8，其中激光调整端6与反射端8之间为衰减区7，衰减区7内为含有粉尘的待测气体；光源部分2产生激光并将激光传送至定向耦合器部分3，定向耦合器部分3通过光纤5将激光传送至测量部分1，激光进入测量部分1首先通过激光调整端6的调整然后射入衰减区7进行测量衰减，再垂直射入反射端8，反射端8将激光反射并依次穿过衰减区7、激光调整端6后由光纤5传输回定向耦合器部分3，定向耦合器部分3将反射后的激光传输至信号转换部分4，如此实现一根光纤5传输往返激光的目的，节约了测量成本。

具体的，测量部分1还包括连接杆26，激光调整端6与反射端8通过连接杆26固定连接，保持激光调整端6与反射端8的距离不发生变化。

具体的,如图3所示，本发明的第二个实施例的一种反射式光纤粉尘浓度测量系统，在第一个实施例的基础上定向耦合器部分3包括第一定向耦合器9与第二定向耦合器10，光纤5包括第一光纤11与第二光纤12，信号转换部分4包括第一探测器13与第二探测器14，第一定向耦合器9、第二定向耦合器10分别与光源部分2连接，第一定向耦合器9与第一光纤11的首端连接，第二定向耦合器10与第二光纤12的首端连接，第一光纤11与第二光纤12的末端均与激光调整端6连接；第一探测器13与第一定向耦合器9连接，第二探测器14与第二定向耦合器10连接，第一探测器13与第二探测器14将接收到的光信号转化为电信号。光源部分2产生两束激光分别传输至第一定向耦合器9与第二定向耦合器10，第一定向耦合器9将激光通过第一光纤11传输至测量部分1进行测量，由反射端8反射后传输回至第一光纤11，并到达第一定向耦合器9，第一定向耦合器9将反射后的激光传输至第一探测器13进行信号转换，第二定向耦合器10将激光通过第二光纤12传输至测量部分1进行测量，由反射端8反射后传输回至第二光纤12，并到达第二定向耦合器10，第二定向耦合器10将反射后的激光传输至第二探测器14进行信号转换。优选的，在第一定向耦合器9与第一探测器13之间安装耦合器，在第二定向耦合器10与第二探测器14之间安装耦合器，耦合器可实现聚集光与平行光的相互转换，该处安装的耦合器用于将聚集的激光光束转化成近似平行的激光光束，便于第一探测器13与第二探测器14对测量后的激光进行信号采集。

具体的，如图4所示的本发明的第三个实施例的一种反射式光纤粉尘浓度测量系统，在第二个实施例的基础上光源部分2包括依次连接的激光器17、耦合器18、分束器19，激光器17发射激光进入耦合器18，由于激光器17发射的激光为平行光，耦合器18可将平行光聚焦以后传输至分束器19。分束器19可将一束光分为两束或者多束，目前有1×N和2×N两种类型，本实施例选用1×2的分束器19，分束器19将激光分为第一光路15与第二光路16，第一光路15进入第一定向耦合器9，第二光路16进入第二定向耦合器10，为减小测量误差，选用分光均匀性较好的分束器19，使第一光路15与第二光路16的光强度更加均等；第一光路15进入第一定向耦合器9后经第一光纤11传输至激光调整端6，第二光路16进入第二定向耦合器10后经第二光纤12传输至激光调整端6。

具体的,如图5所示的本发明的第四个实施例的一种反射式光纤粉尘浓度测量系统，在第三个实施例的基础上激光调整端6包括第一激光调整端20、第二激光调整端21，衰减区7分为第一衰减区22、第二衰减区23，反射端8包括第一反射端24、第二反射端25，其中第一衰减区22位于第一激光调整端20与第一反射端24之间，第二衰减区23位于第二激光调整端21与第二反射端25之间；第一激光调整端20与第一光纤11末端连接，第二激光调整端21与第二光纤12末端连接；第一光路15通过第一光纤11传输至第一激光调整端20，经第一激光调整端20调整后传输至第一衰减区22进行衰减，测量衰减后的第一光路15垂直射入第一反射端24，第二光路16通过第二光纤12传输至第二激光调整端21，经第二激光调整端21调整后传输至第二衰减区23进行衰减，测量衰减后的第二光路16垂直射入第二反射端25；第一光路15在第一衰减区22的光程大于第二光路16在第二衰减区23的光程。本案的目的在于测量空腔内待测气体的含尘量，所以将第一激光调整端20、第二激光调整端21、第一反射端24、第二反射端25均设置为封闭性较强的光路传输装置，为了消除双光路测量时的差分系统误差，将第一激光调整端20与第二激光调整端21的结构设置为相同结构，将第一反射端24与第二反射端25的结构设置为相同结构。本案中不限定第一激光调整端20、第二激光调整端21、第一反射端24、第二反射端25四者的放置位置关系，但需满足第一衰减区22的距离大于第二衰减区23的距离，且第一光路15垂直射入第一反射端24，第二光路16垂直射入第二反射端25。由于第一衰减区22的距离与第二衰减区23的距离不相等，所以第一光路15在第一衰减区22的衰减量与第二光路16在第二衰减区23的衰减量不相等。

具体的,如图6所示的本发明的第五个实施例的一种反射式光纤粉尘浓度测量系统，第一激光调整端20包括第一准直器27与第一平透镜28，第二激光调整端21包括第二准直器29与第二平透镜30，第一反射端24包括第三平透镜31与第一反射镜32，第二反射端25包括第四平透镜33与第二反射镜34。第一准直器27与第二准直器29的规格与放置方向均相同，用于将光纤传输的激光进行扩束变成宽束光，第一反射镜32安装在第三平透镜31之后，第二反射镜34安装在第四平透镜33之后。第一光路15射入第一激光调整端20后，首先经过第一准直器27扩束后由第一平透镜28射出并射入第一衰减区22，第一光路15经过第一衰减区22衰减后从第三平透镜31射入并垂直照射在第一反射镜32上；第二光路16经过第二准直器29扩束后由第二平透镜30输出并射入第二衰减区23，第二光路16经过第二衰减区23衰减后从第四平透镜33射入并垂直照射在第二反射镜34上。第一反射镜32将第一光路15反射后依次穿过第三平透镜31、第一衰减区22、第一平透镜28、第一准直器27后进入第一光纤11，第二反射镜34将第二光路16反射后依次穿过第四平透镜33、第二衰减区23、第二平透镜30、第二准直器29后进入第二光纤12。整个测量部分1为纯光学装置，安装在矿井或者易发生事故的测量环境中安全性能较高。优选的，第一准直器27与第一平透镜28、第三平透镜31、第一反射镜32的几何中心在同一条直线上，且与第一光路15在测量部分1的传播路径相重合，第二准直器29、第二平透镜30、第四平透镜33、第二反射镜34的几何中心在同一直线上，且与第二光路16在测量部分1内的传播路径相重合，可以使第一光路15与第二光路16最大限度的通过测量部分1，尽可能地减少激光在传输元件中的损耗，保证第一光路15与第二光路16在传输元件中有相同的传播环境，以提高粉尘浓度测量的精度。

具体的，如图7所示的本发明的第六个实施例的一种反射式光纤粉尘浓度测量系统，第一激光调整端20还包括第一单透镜整形器35，第二激光调整端21还包括第二单透镜整形器36，其中第一单透镜整形器35安装在第一准直器27与第一平透镜28之间，第一光路15经第一准直器27扩束后，变成宽束光，但是由于扩束后的宽束光仍为高斯光分布，其光截面能量分布不均匀，如果直接照射到第一衰减区22进行激光的衰减，则在后期数据分析时出现误差较大，所以经第一单透镜整形器35将激光能量空间分布由高斯光转化为平顶光后，再通过第一平透镜28照射到第一衰减区22；第二单透镜整形器36安装在第二准直器29与第二平透镜30之间，第二光路16经第二准直器29扩束后，与第一单透镜整形器35原理相同，经第二单透镜整形器36将激光能量空间分布均匀化再通过第二平透镜30照射到第二衰减区23。第一单透镜整形器35与第二单透镜整形器36选用相同的非球面镜片，镜片表面的设计根据使用环境而定，本发明不做具体限定，只需达到将平行高斯光转变为平行平顶光的目的即可。为避免不必要的误差，将第一准直器27和第一单透镜整形器35之间的距离设置成与第二准直器29和第二单透镜整形器36之间的距离相等。本实施例设置第一单透镜整形器35与第二单透镜整形器36将激光能量均匀化，使第一宽束光与第二宽束光在第一衰减区22与第二衰减区23内的衰减更加均匀，进而使后期数据处理的结果更加精确。

具体的,以上实施例中还包括数据处理部分，数据处理部分与第一探测器13、第二探测器14连接，第一探测器13与第二探测器14将电信号发送至数据处理部分进行处理。数据处理部分通过信号转换部分4输送的电信号进行计算，最终得出激光衰减系数。

本发明通过两路光对待测气体分别进行测量，并根据测量数据计算激光衰减系数，由于衰减系数与待测气体的粉尘浓度有一定的比例关系，便可根据一定的比例关系计算出待测气体的粉尘浓度。本发明的反射式光纤粉尘浓度测量系统其测量过程及激光衰减系数的具体算法如下：

激光器17的输出光经过耦合器耦合后进入分束器19，分束器19将激光分为第一光路15与第二光路16，第一光路15经第一光纤11传输至第一激光调整端20，第二光路16经第二光纤12传输至第二激光调整端21，第一光路15进入第一准直器27扩束后从第一平透镜28射出，设定从第一平透镜28射出的激光光强为I,第二光路16进入第二准直器29扩束后从第二平透镜30射出，设定从第二平透镜30射出的激光光强为I′,第一光路15经过第一衰减区22衰减后，由第一反射端24反射并再次照入第一衰减区22后，照射入第一平透镜28的光强为I₁，第二宽束光经过第二衰减区23衰减后，由第二反射端25反射并再次照入第二衰减区23后，照射入第二平透镜30的光强为I₂，第一平透镜28与第三平透之间的距离为l₁,第二平透镜30与第四平透镜33之间的距离为l₂,设定衰减系数为α，忽略激光在除第一衰减区22与第二衰减区23之外的衰减，则由于第一光路15与第二光路16通过分束器19平均分为两束光，且第一准直器27与第二准直器29完全相同，所以I＝I′,故计算得α＝ln(I₂/I₁)/2(l₁-l₂)。在距离l₁与l₂为固定值时，通过测量I₁与I₂，便可计算出待测气体对激光的衰减系数，由于一定的粉尘浓度对应着一定的激光衰减系数，而在实际应用中，可通过标准试验方法确定出粉尘浓度与激光衰减系数之间的对应关系，在测量中便可根据实验值算出粉尘浓度。

优选的，可选用1×3的分束器，此时需加设第三光纤、第三激光调整端、第三衰减区、第三反射端、第三定向耦合器与第三探测器，且第三激光调整端与第一激光调整端、第二激光调整端的光传播装置结构相同，区别在于第三光路在第三衰减区的光程与第一光路在第一衰减区的光程、第二光路在第二衰减区的光程各不相同，分束器产生的第三光路再经过第三反射区反射后按原路返回至第三定向耦合器，第三定向耦合器将反射后的第三光路传输至第三探测器，第三探测器将光信号转化为电信号后发送至数据处理部分，其计算方法依然采用差分计算方法之后再求平均值，能够更有效的提高测量精度。

整个反射式光纤粉尘浓度测量系统，在实现远程测量粉尘浓度的基础上，运用分束器将一束激光平均分为两束，将两束光分别射入光程不相等的衰减区进行衰减测量，利用反射区将激光按原路返回，通过定向耦合器部分将反射后的激光定向传输至信号转换部分，信号转换部分将光信号转换为电信号，并将电信号输入至数据处理部分进行计算，最终得出待测气体的粉尘浓度。由于本方案中除第一衰减区与第二衰减区的光程不相等以外，其他测量环境完全相同，所以在后续的差分计算中利用光程差算出激光衰减系数，将所有的误差做差消除，所得的计算值准确度更高。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。