光学气体吸收池及光学气体传感器的制作方法

本实用新型涉及气体检测与分析装置技术领域，尤其涉及一种光学气体吸收池及光学气体传感器。

背景技术：

近年来，持续高发的雾霾事件促进了国家对环保的高度重视，相应的，国家增强了对工业生产中汽车、电力、化工、冶金、纺织、制药，尤其是煤矿和石油等多个行业生产过程中排放气体的监测，其中，对排放气体的检测分析至关重要。

目前，对气体的检测分析主要采用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS或TDLS)，对激光器输入不同的电流和温度得到不同波长的激光，对经过待检测气体吸收后的激光进行光谱分析，得到待检测气体的各项物理参数(气体种类、气体浓度、气体温度和气体压力等)。主要应用于环境监测、工业过程控制、生物和医学研究、燃烧过程诊断分析、发动机转换效率、机动车尾气和大气痕量污染气体等领域的光谱检测。

气体吸收池的结构直接关系到光线在待检测气体中的有效光程，气体吸收池内的气体置换速率决定了气体传感器的检测效率。现有的光学气体传感器的气体吸收池进气方向单一，气体吸收池中待检测气体的气体置换速率较小，导致气体传感器的响应速度慢、检测效率低。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种光学气体吸收池及光学气体传感器，以解决现有技术中存在的光学气体传感器的气体吸收池进气方向单一，光学气体吸收池中待检测气体的气体置换速率较小，导致光学气体传感器的响应速度慢、检测效率低的技术问题。

本实用新型提供的光学气体吸收池，包括壳体和支撑棒，所述壳体设有进气部和出气部，所述进气部上开设有进气孔，所述出气部上开设有出气孔；所述支撑棒插接于所述壳体的内腔，所述支撑棒一端为进气插接端，另一端为出气插接端；所述进气插接端沿其轴向开设有进气通道，所述进气通道与所述进气孔连通，所述出气插接端沿其轴向开设有出气通道，所述出气通道与所述出气孔连通；所述支撑棒靠近其进气插接端的部位开设有进气通气孔，靠近其出气插接端的部位开设有出气通气孔，所述进气通气孔和所述出气通气孔均为多个，且分别沿所述支撑棒的周向分布，所述进气通气孔连通所述进气通道与所述壳体的内腔，所述出气通气孔连通所述出气通道与所述壳体的内腔。

进一步的，多个所述进气通气孔沿所述支撑棒的周向均匀分布；多个所述出气通气孔沿所述支撑棒的周向均匀分布。

进一步的，所述支撑棒的进气插接端穿设有入射反射镜，所述入射反射镜上设有入射窗口片；所述出气插接端穿设有出射反射镜，所述出射反射镜上设有出射窗口片，所述入射反射镜与所述出射反射镜的镜面相对设置；所述入射反射镜与所述出射反射镜之间密封连接有套筒，三者共同形成气体吸收腔。

进一步的，所述壳体的进气部的内表面沿其轴向延伸有进气定位块，所述进气定位块沿其轴向开设有进气插接槽，所述进气插接槽与所述进气孔连通；所述壳体的出气部的内表面沿其轴向延伸有出气定位块，所述出气定位块沿其轴向开设有出气插接槽，所述出气插接槽与所述出气孔连通；所述支撑棒的进气插接端插接于所述进气插接槽内，所述支撑棒的出气插接端插接于所述出气插接槽内；所述入射反射镜密封套设于所述进气定位块的外周侧壁上，所述出射反射镜密封套设于所述出气定位块的外周侧壁上。

进一步的，所述入射反射镜与所述套筒之间设有密封圈；所述出射反射镜与所述套筒之间设有密封圈。

进一步的，所述入射窗口片和所述出射窗口片均自上向下沿竖直方向向外倾斜8°倾斜角。

进一步的，所述入射窗口片和所述出射窗口片均选用CaF₂结构件。

进一步的，所述套筒上密封设有观察窗，所述壳体上开设有观察孔，所述观察孔与所述观察窗相对应。

进一步的，所述壳体上固设有用于测量所述气体吸收腔内气体温度的温度传感器。

本实用新型光学气体吸收池的有益效果为：

本实用新型提供的光学气体吸收池，包括用于通入待检测气体的进气孔和用于排除壳体内气体或待检测气体的出气孔；其中，支撑棒用于支撑整个装置，且用于连通待检测气体与气体吸收腔。光学吸收池主要利用朗伯－比尔定律，即待检测气体对穿过其中的一定波长的平行光进行光强的吸收，其吸光度与待检测气体的浓度和吸收层厚度(即激光在该待检测气体中的有效光程)成正比。

该光学气体吸收池中，支撑棒设置在壳体的内腔，待检测气体从支撑棒一端的进气通气孔中沿支撑棒的周向环绕一周通入，从另一端的出气通气孔中排出，气体置换速率较快，而且对壳体的内腔中的气体置换充分无死角，从而提高光学气体传感器的检测效率。

本实用新型的另一个目的在于提供一种光学气体传感器，包括激光发射装置和上述光学气体吸收池，所述激光发射装置的激光出射口与所述光学气体吸收池的入射窗口片连接；所述光学气体吸收池的出射窗口片连接有信号处理装置，该光学气体传感器具有上述光学气体吸收池的所有技术效果，这里不再赘述。

本实用新型光学气体传感器的有益效果为：

本实用新型提供的光学气体传感器，其中，光学气体吸收池的工作原理上文已经做了详细描述，这里不再赘述。激光发射装置向光学气体吸收池的入射窗口片射入激光，经过光学气体吸收池后射出的激光进入信号处理装置，经处理得到待检测气体的相关浓度信息，从而实现对待检测气体的浓度检测。与光学气体吸收池相应的，该光学气体传感器的响应速度快、检测效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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他的附图。

图1为本实用新型实施例一提供的光学气体吸收池的主视结构示意图；

图2为图1中光学气体吸收池的B－B横截面结构示意图；

图3为图1中光学气体吸收池的A－A横截面结构示意图；

图4为本实用新型实施例一提供的光学气体吸收池的立体结构示意图。

图标：1－壳体；2－支撑棒；3－入射反射镜；4－出射反射镜；5－套筒；6－气体吸收腔；7－观察窗；11－进气部；12－出气部；111－进气孔；112－进气定位块；113－进气插接槽；121－出气孔；122－出气定位块；123－出气插接槽；21－进气插接端；22－出气插接端；211－进气通道；212－进气通气孔；221－出气通道；222－出气通气孔。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例一

本实施例提供一种光学气体吸收池，如图1－图4所示，包括壳体1和支撑棒2，壳体1设有进气部11和出气部12，进气部11上开设有进气孔111，出气部12上开设有出气孔121；支撑棒2插接于壳体1的内腔，支撑棒2一端为进气插接端21，另一端为出气插接端22；进气插接端21沿其轴向开设有进气通道211，进气通道211与进气孔111连通，出气插接端22沿其轴向开设有出气通道221，出气通道221与出气孔121连通；支撑棒2靠近其进气插接端21的部位开设有进气通气孔212，靠近其出气插接端22的部位开设有出气通气孔222，进气通气孔212和出气通气孔222均为多个，且分别沿支撑棒2的周向分布，进气通气孔212连通进气通道211与壳体1的内腔，出气通气孔222连通出气通道221与壳体1的内腔。

本实施例提供的光学气体吸收池，包括用于通入待检测气体的进气孔111和用于排除壳体1内气体或待检测气体的出气孔121，其中，支撑棒2用于支撑整个装置，且用于连通待检测气体与气体吸收腔6。光学吸收池主要利用朗伯－比尔定律，即待检测气体对穿过其中的一定波长的平行光进行光强的吸收，其吸光度与待检测气体的浓度和吸收层厚度(即激光在该待检测气体中的有效光程)成正比。

该光学气体吸收池主要包括气路和光路：其中，气路流向如下，向壳体1的进气孔111通入待检测气体，待检测气体经过支撑棒2的进气插接端21的进气通道211从进气通气孔212进入气体吸收腔6，气体吸收腔6内原有的气体被挤压从支撑棒2的出气插接端22的出气通气孔222进入，依次经过出气通道221和出气孔121后流出气体吸收腔6；光路流向如下，激光可以通过在壳体1上设置窗口射入壳体1的内腔中，或将激光的出射口设在壳体1的内腔中直接发射，从壳体1上设置的窗口射出或通过其他接收装置接收激光信号。支撑棒2设置在壳体1的内腔，待检测气体从支撑棒2一端的进气通气孔212中沿支撑棒2的周向环绕一周通入，从另一端的出气通气孔222中排出，气体置换速率较快，而且对壳体1的内腔中的气体置换充分无死角，从而提高光学气体传感器的检测效率。

另外，支撑棒2可以将进气插接端21和出气插接端22的直径设置为小于其位于壳体1的内腔的中段的直径，不仅利于支撑棒2两端与壳体1的插接，其中段直径较大，占用体积较大，相应的，壳体1内腔容纳待检测气体的体积减小，从而进一步提高了光学气体吸收池的气体置换速率，提高光学气体传感器的响应速率和检测效率。

具体的，本实施例中，如图2和图3所示，多个进气通气孔212沿支撑棒2的周向均匀分布；多个出气通气孔222沿支撑棒2的周向均匀分布。待检测气体从进气通气孔212进入壳体1内腔中时，可以沿支撑棒2周向360°均匀的环绕出气，气体进入壳体1内腔中更为迅速，且壳体1内腔的各个角落均可以得到待检测气体的置换、无死角，从而提高壳体1内腔的气体置换速率和光学气体传感器的检测精度。

本实施例中，如图2所示，支撑棒2的进气插接端21穿设有入射反射镜3，入射反射镜3上设有入射窗口片；出气插接端22穿设有出射反射镜4，出射反射镜4上设有出射窗口片，入射反射镜3与出射反射镜4的镜面相对设置；入射反射镜3与出射反射镜4之间密封连接有套筒5，三者共同形成气体吸收腔6。

加入入射反射镜3和出射反射镜4后，该光学气体吸收池的气路不变，光路如下：激光从入射反射镜3上的入射窗口片以一定角度射入，激光随后在入射反射镜3与出射反射镜4之间多次反射，最后从出射反射镜4上的出射窗口片射出。入射反射镜3、套筒5和出射反射镜4共同组成容纳待检测气体的气体吸收腔6，激光被待检测气体吸收的有效光程位于该气体吸收腔6中，激光在入射反射镜3与出射反射镜4之间多次反射，在确保激光在待检测气体中穿过的有效光程的基础上，大大减小了气体吸收腔6的体积，进而减小了光学气体吸收池的体积，从而提高了容纳腔中的气体置换速率，相应提高了光学气体传感器的响应速度和检测效率。此外，支撑棒2上设置进气通气孔212环绕出气的方式与光路在气体吸收腔6内环绕一周相对应，进一步提高了光学气体传感器的响应速率和检测效率，检测时间一般小于5s。

为了减少气体吸收腔6内表面对待检测气体的浓度影响，具体的，可以在入射反射镜3和出射反射镜4的反射镜面上做镀金处理，套筒5可以选用特氟龙套筒，两个镀金反射镜面和特氟龙套筒的内壁共同形成气体吸收腔6的内表面，当待检测气体为腐蚀性气体时，气体吸收腔6的内表面与腐蚀性气体发生反应的几率很小，对待检测气体的浓度影响很小，从而提高系统的检测精度。

另外，还可以将套筒5与入射反射镜3、出射反射镜4之间设置为可拆卸式固定连接，即，入射反射镜3与出射反射镜4之间的间距可以调节，从而改变激光在气体吸收腔6内的有效光程。具体的，入射反射镜3的位置不变，通过更换不同长度的套筒5以及相应改变出射反射镜4的位置，从而实现对激光在气体吸收腔6内有效光程的调节。

本实施例中，如图2和图3所示，壳体1的进气部11的内表面沿其轴向延伸有进气定位块112，进气定位块112沿其轴向开设有进气插接槽113，进气插接槽113与进气孔111连通；壳体1的出气部12的内表面沿其轴向延伸有出气定位块122，出气定位块122沿其轴向开设有出气插接槽123，出气插接槽123与出气孔121连通；支撑棒2的进气插接端21插接于进气插接槽113内，支撑棒2的出气插接端22插接于出气插接槽123内；入射反射镜3密封套设于进气定位块112的外周侧壁上，出射反射镜4密封套设于出气定位块122的外周侧壁上。

激光在入射反射镜3和出射反射镜4之间的反射对入射反射镜3和出射反射镜4的角度设置精度要求非常高，这里的进气定位块112同时对入射反射镜3和支撑棒2的进气插接端21进行位置固定，出气定位块122同时对出射反射镜4和支撑棒2的出气插接槽123进行位置固定，壳体1的进气部11和出气部12位置固定后，即，进气定位块112和出气定位块122的位置固定，相应的，支撑棒2的位置、入射反射镜3的位置和出射反射镜4的位置均被固定，从而增强光学气体吸收池的稳定性，确保激光的有效光程，提高光学气体传感器的测量精度。具体的，可以将进气定位块112和出气定位块122均设置在气体吸收腔6的轴线上，这样，支撑棒2也位于气体吸收腔6的轴线上，整个气体吸收腔6内轴对称，更利于气体的置换。

本实施例中，入射反射镜3与套筒5之间设有密封圈；出射反射镜4与套筒5之间设有密封圈。密封圈进一步加强套筒5与入射反射镜3、出射反射镜4之间的密封效果，确保气体吸收腔6的密封性，减少甚至避免待检测气体外泄而引起的检测误差。

具体的，本实施例中，入射窗口片和所述出射窗口片均自上向下沿竖直方向向外倾斜8°倾斜角。激光在传播过程中会由于振幅、相位或频率的不同而产生噪声，激光噪声会对光学气体传感器的检测精度产生影响，经实验得出，入射窗口片自上向下沿竖直方向设置为向外倾斜8°的倾斜角时，激光产生噪声较少，检测效果较优。此外，为了减少激光噪声对检测结果的影响，还可以提高入射反射镜3和出射反射镜4镜面的镀膜处理以及壳体1发黑处理等。

本实施例中，入射窗口片和出射窗口片均可以选用CaF₂结构件。CaF₂材料制成的入射窗口片和出射窗口片具有低吸收系数、高损伤阈值，对激光的光强影响较小，从而提高系统对待检测气体的检测精度。此外，选用厚度较小的入射窗口片和出射窗口片可以一定程度减小激光的光学噪声，提高系统对待检测气体的检测精度。此外，入射窗口片和出射窗口片还可以选用ZnSe(锡化锌)、KBr(溴化钾)、蓝宝石等材料制成。

本实施例中，如图2和图4所示，还可以在套筒5上密封设有观察窗7，壳体1上开设有观察孔，观察孔与观察窗7相对应。观察窗7的设置可以方便操作人员前期通过对激光光路的观察来完成对入射反射镜3和出射反射镜4的调试，也便于后期对激光光路的观察。具体的，观察窗7可以选用玻璃窗或其他透明窗，可以在观察窗7与套筒5之间打密封胶，确保观察窗7的密封性。此外，当待检测气体为腐蚀性气体时，套筒5可以选用特氟龙套筒，可以在特氟龙套筒上也开设观察孔，通过观察孔对系统进行调试好后，使用耐腐蚀性的特氟龙橡胶板对观察孔进行密封处理；当待检测气体无腐蚀性或腐蚀性较小时，如：O₂、NO、CO和NO₂等气体，套筒5还可以直接选用玻璃套筒，玻璃套筒与入射反射镜3及出射反射镜4之间形成密封的吸收腔6，此时，玻璃套筒可以用于观察，不再需要开设观察窗7，其中，对于具有耐腐蚀性玻璃材料，如蓝宝石制成的玻璃套筒，也可以用于腐蚀性待检测气体的密封及观察。

本实施例中，壳体1上固设有用于测量气体吸收腔6内气体温度的温度传感器。通过温度传感器测得气体吸收腔6内待检测气体的精确的温度，可以将该温度用于后续的数据处理的温度校对，从而得到待检测气体相关的精确结果，提高系统的检测精度，具体的，温度传感器可以选用PT100温度传感器。此外，还可以在壳体1上固设有用于测量气体吸收腔6内气体压力的压力传感器，以对后续数据处理中的压力进行压力补偿，还可以用于了解气体吸收腔6内的气体压力情况。

本实施例中，进气孔111与出气孔121于壳体1上对称设置。进气孔111与出气孔121对称设置，待检测气体进入气体吸收腔6和排除气体吸收腔6的速率等一致，从而确保待检测气体的顺畅流通，提高气体吸收腔6内的气体置换速率，进而提高系统的检测效率。

实施例二

本实施例提供一种光学气体传感器，包括激光发射装置和实施例一所述的光学气体吸收池，激光发射装置的激光出射口与光学气体吸收池的入射窗口片连接；光学气体吸收池的出射窗口片连接有信号处理装置，该光学气体传感器具有上述光学气体吸收池的所有技术效果，这里不再赘述。

本实施例提供的光学气体传感器，其中，光学气体吸收池的工作原理上文已经做了详细描述，这里不再赘述。激光发射装置向光学气体吸收池的入射窗口片射入激光，经过光学气体吸收池后射出的激光进入信号处理装置，经处理得到待检测气体的相关浓度信息，从而实现对待检测气体的浓度检测。与光学气体吸收池相应的，该光学气体传感器的响应速度快、检测效率高。

具体的，激光发射装置可以包括激光发射器和光纤准直器，信号处理装置可以包括依次电连接的探测器、前置放大器、锁相放大器、A/D转换器和微处理器，其中激光发射器用于向外发射与待检测气体相匹配的激光，激光进入光线准直器中，光纤准直器对接收到的激光进行准直，随后通过激光出射口射入光学气体吸收池，激光在光学气体吸收池被待检测气体吸收后，从出射窗口片射出进入探测器，探测器将接收到的光信号转变成携带有气体浓度信息的电信号，并将该电信号传递给后续前置放大器，前置放大器对该电信号进行I/V转换和电压放大，随后通过锁相放大器的谐波检测出与气体浓度成正比的二次谐波信号，最后通过A/D转换器转换得到相应的数字信号，微处理器对该数字信号进行处理，最终得到待检测气体的浓度信息，完成对待检测气体的检测。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。