基于二维剪切干涉测量待测气体参数的装置的制作方法

本实用新型涉及光电化微加工技术领域，更具体地说涉及基于二维剪切干涉测量待测气体参数的装置。

背景技术：

传统测量空气折射率梯度的方法有阴影法、纹影法、干涉法等等。阴影法一般用于定性分析，不能定量分析，纹影法是根据光强的分布反映折射率梯度分布的一种方法，它需要测量接收屏上的对比度，相对耗时，而且准确率不高。采用普通的干涉法能提高测量的准确度，但在应用之中局限比较明显，往往测量环境多变，容易影响干涉效果。阴影法、纹影法和普通干涉法都限制在一维的分析或测量。

技术实现要素：

本实用新型提供一种基于二维剪切干涉测量待测气体参数的装置，通过两个维度同时检测，提高检测精度。

本实用新型解决其技术问题的解决方案是：

一种基于二维剪切干涉测量待测气体参数的装置，包括：激光光源、扩束镜、第一透镜、第二透镜、第一平面平晶、第二平面平晶、半反半透镜、采集模块和电脑处理终端；

所述激光光源、扩束镜、第一透镜、半反半透镜和第一平面平晶通过光线连接，所述采集模块与所述电脑处理终端电连接，所述半反半透镜与第一平面平晶之间设有检测场；

所述第一平面平晶沿竖直方向设置，所述第一平面平晶与垂直地面方向形成第一倾角θ1，所述第二平面平晶沿水平方向设置，所述第二平面平晶与水平地面方向形成第二倾角θ2；

所述激光光源发出的光束依次通过扩束镜、第一透镜和半反半透镜后，射入检测场，光束经过检测场后射入第一平面平晶，光束经过第一平面平晶后出射光射向检测场，透过检测场的光束被半反半透镜反射到第二平面平晶，第二平面平晶的出射光透过第二透镜射入采集模块。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一平面平晶沿竖直方向设置，所述第一平面平晶与垂直地面方向形成第一倾角θ1，其中0°＜θ1≤1°。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第二平面平晶沿水平方向设置，所述第二平面平晶与水平地面方向形成第二倾角θ2，其中0°＜θ2≤15°。

作为上述技术方案的进一步改进，所述激光光源为he-ne激光器。

作为上述技术方案的进一步改进，所述激光光源为二氧化碳激光器。

作为上述技术方案的进一步改进，所述采集模块为相机。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜和第二透镜为准直透镜。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过水平和竖直两个维度进行检测，得到待测气体两个维度的折射率梯度、密度梯度以及温度分布，适用性更强，提高检测准确性，大大降低了检测工序。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员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设计方案和附图。

图1是本实用新型的俯视结构示意图；

图2为测量平面平晶的倾角的原理图；

图3是剪切干涉法的原理图；

图4是剪切干涉前的平行光波面；

图5是剪切干涉后的平行光波面；

图6是剪切干涉示意图；

图7是第一剪切干涉图像；

图8是第二剪切干涉图像；

图9是加干扰后横干涉条纹的位移示意图；

图10是加干扰后竖干涉条纹的位移示意图；

图11是可控温电烙铁放置的第一位置；

图12是可控温电烙铁位于第一位置时沿x方向的折射率梯度示意图；

图13是可控温电烙铁位于第一位置时沿y方向的折射率梯度示意图；

图14是可控温电烙铁位于第一位置时沿x方向的密度梯度示意图；

图15是可控温电烙铁位于第一位置时沿y方向的密度梯度示意图；

图16是可控温电烙铁位于第一位置时的密度分布图；

图17是可控温电烙铁位于第一位置时的温度分布图；

图18是可控温电烙铁放置的第二位置；

图19是可控温电烙铁位于第二位置时沿x方向的折射率梯度示意图；

图20是可控温电烙铁位于第二位置时沿y方向的折射率梯度示意图；

图21是可控温电烙铁位于第二位置时沿x方向的密度梯度示意图；

图22是可控温电烙铁位于第二位置时沿y方向的密度梯度示意图；

图23是可控温电烙铁位于第二位置时的密度分布图；

图24是可控温电烙铁位于第二位置时的温度分布图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本实用新型的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本实用新型的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本实用新型保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

实施例1，参考图1，基于二维剪切干涉测量待测气体参数的装置，包括：激光光源100、扩束镜200、第一透镜300、第二透镜400、第一平面平晶500、第二平面平晶600、半反半透镜700、采集模块800和电脑处理终端900；

所述激光光源100、扩束镜200、第一透镜300、半反半透镜700和第一平面平晶500通过光线连接，所述采集模块800与所述电脑处理终端900电连接，所述半反半透镜700和第一平面平晶500之间设有检测场130；

所述第一平面平晶500沿竖直方向设置，所述第一平面平晶500与垂直地面方向形成第一倾角θ1，所述第二平面平晶600沿水平方向设置，所述第二平面平晶600与水平地面方向形成第二倾角θ2；

所述激光光源100发出的光束依次通过扩束镜200、第一透镜300和半反半透镜700后，射入检测场130，光束经过检测场130后射入第一平面平晶500，光束经过第一平面平晶500后出射光透过检测场130射向半反半透镜700，透过检测场130的光束半反半透镜700反射到第二平面平晶600，第二平面平晶600的出射光透过第二透镜400射入采集模块800。

在半反半透镜700和第一平面平晶500之间设置检测场130，所述检测场130用于设置参考气体和待测气体。

首先分别对待测气体和参考气体依次进行竖直方向的剪切干涉和水平方向的剪切干涉，以参考气体作为参考，将参考气体作为未加干扰气体，则待测气体相对参考气体为加干扰后的气体。加了干扰后的气体，激光光束经过时的光程差会发生变化，同时待测气体的折射率相对改变，则待测气体的剪切干涉的横干涉条纹和竖干涉条纹相对参考气体的横干涉条纹和竖干涉条纹发生位移，通过得到的横干涉条纹和竖干涉条纹的位移量来计算出待测气体的待测气体的折射率梯度、密度梯度和温度分布。

本实用新型的工作原理：

所述激光光源100发出的光束依次经过扩束镜200和第一透镜300后形成平行光束，所述平行光束色透过半反半透镜700射入检测场130，光束透过检测场130后进入第一平面平晶500进行竖直方向的剪切干涉；

第一平面平晶500的出射光再次透过检测场130后射向半反半透镜700，并在半反半透镜700上发生反射，所述半反半透镜700的反射光射入第二平面平晶600进行水平方向的剪切干涉；

所述第一平面平晶500沿竖直方向设置，所述第一平面平晶500与垂直地面方向形成第一倾角θ1，所述第二平面平晶600沿水平方向设置，所述第二平面平晶600与水平地面方向形成第二倾角θ2；因为所述第一倾角θ1和第二倾角θ2产生的光程差程线性变化，形成明暗相间的剪切干涉条纹。

所述竖直方向的剪切干涉会产生横干涉条纹，所述水平方向的剪切干涉会产生竖干涉条纹，最终得到相互垂直的条纹。

第二平面平晶600的出射光射入第二透镜400，采集模块800采集第二透镜400的出射光，得到剪切干涉图像。当检测场130设置的参考气体时，则采集模块800得到的为第一剪切干涉图像，当检测场130设置的是待测气体时，则采集模块800得到的为第二剪切干涉图像。所述采集模块800将采集得到的第一剪切干涉图像和第二剪切干涉图像发送到电脑处理终端900。

所述电脑处理终端900中的labview的图像处理程序对所述第一剪切干涉图像和第二剪切干涉图像依次进行滤波、二值化、细化和去毛刺，去除第一剪切干涉图像和第二剪切干涉图像噪声和干扰信息，分离出第一剪切干涉图像和第二剪切干涉图像的横干涉条纹和竖干涉条纹，得到所述第二剪切干涉图像相对第一剪切干涉图像的横干涉条纹的位移量和竖干涉条纹的位移量；

其中竖直方向的剪切干涉得到的横干涉条纹信息通过计算可以反映竖直方向的折射率梯度、密度梯度和温度分布。水平方向的剪切干涉得到的竖干涉条纹信息通过计算可以反映水平方向的折射率梯度、密度梯度和温度分布。

进行第二平面平晶600的水平方向的剪切干涉之前光束经过两次检测场130，光束第一次水平经过检测场130，第二次经过检测场130返回半反半透镜700的时候光束在竖直方向上有偏转，所述第一平面平晶500的入射光和出射光形成第一光束错开角α1。

平面平晶两面绝对平行时，产生的光程差相同，产生的干涉场是亮度均匀的场，一般平晶难以达到绝对平行，平晶的两平面有一定微小的倾角，但该倾角可忽略不计。

参考图2，在半反半透镜700和第一平面平晶500之间设置检测平面s，所述检测平面s垂直与地面，入射光透过检测平面s照射到第一平面平晶500上，因为第一平面平晶500竖直方向设置且有倾角，所以出射光与入射光错开形成第一光束错开角α1，所述入射光和出射光分别在检测平面s上形成检测光斑，入射光检测光斑的圆心和出射光检测光斑的圆心在检测平面s处错开高度值d且测量第一平面平晶500到检测平面s的距离l，代入以下公式求得所述第一光束错开角α1：

实验测得d为5.5mm，l为480.0mm，其中α为光束错开角，求得第一平面平晶500的第一光束错开角α1为0.66°。

同理可以求得第二平面平晶600的第一光束错开角α2为6.51°。

因为第一平面平晶500的第一光束错开角α1非常小，则光束偏移很小，光束经过第一平面平晶500的剪切干涉后近似原路返回。

参考图3，光线l1经过第一平面平晶500的前表面，光线l1的折射光线在第一平面平晶500的后表面反射，后表面反射的光线与光线l2在第一平面平晶500的前表面反射的光线产生干涉。图4为剪切前的平行光波面，图5是平行光经过第一平面平晶500剪切干涉后的波面，重叠部分产生干涉，产生横干涉条纹。

其中图3中l为检测场130在光轴方向的长度；h为第一平面平晶500厚度。

参考图6，因为水平方向的剪切干涉和竖直方向的剪切干涉的原理是一样，因此只对竖直方向的剪切干涉展开说明，其中图6中光线l1和光线l2的剪切量为δ。

剪切干涉原理如下：光线l1和光线l2以入射角为i的光束入射到厚度为h，折射率为n的第一平面平晶500，其中n0为空气的折射率，所述i＇为光束在第一平面平晶500的入射角，ac为图6中a点到c点的长度。

结合图6，由几何关系得到：

δ＝ac*cosi(1-2)

ac＝2*h*tani′(1-3)

由折射定理有：

n0*sini＝n*sini′(1-4)

得到光束的剪切量为：

由(1-5)得，第一平面平晶500对剪切干涉的剪切量分别由第一平面平晶500的厚度、折射率和光线的入射角决定。

通过在半反半透镜700和第一平面平晶500之间设置检测场130，本实用新型用于检测和计算得到检测场130内待测气体的折射率梯度、密度梯度和温度分布。

在实际情况中，使用本实用新型装置来检测待测气体的折射率梯度、密度梯度和温度分布时，待测气体会有各种干扰因素，待测气体相对参考气体来说就是加了干扰的气体。本实施例中会在检测场130内的参考气体设置干扰来模拟实际情况中的待测气体。

本实施例在检测场130内设置加热模块，用于改变检测场130的温度，测试温度的干扰是否影响本实用新型对空气折射率梯度、密度梯度和温度分布的测量精度。

本实施例中的所述加热模块可为可控温电烙铁110，用于加热检测场130的温度。

首先，检测场130内未加干扰的气体作为参考气体，采集参考气体的第一剪切干涉图像，参考图7。

然后，在检测场130内加入温度干扰后的气体作为待测气体，采集待测气体的第二剪切干涉图像，参考图8。肉眼比较难判断出条纹位移量，将采集得到的第一剪切干涉图像和第二剪切干涉图像通过电脑处理终端900依次进行滤波、二值化、细化和去毛刺后，分别得到各自的横干涉条纹和竖干涉条纹，对检测场130加温度干扰时，温度使得激光光束的光程差发生变化，同时检测场130的折射率相对改变，第二剪切干涉图像的横干涉条纹和竖干涉条纹相对第一剪切干涉图像的横干涉条纹和竖干涉条纹发生位移。

参考图9，图9中包含第一剪切干涉图像的横干涉条纹和第二剪切干涉图像的横干涉条纹，其中my为第二剪切干涉图像的横干涉条纹相对第一剪切干涉图像的横干涉条纹的位移量。参考图10，图10中包含第一剪切干涉图像的竖干涉条纹和第二剪切干涉图像的竖干涉条纹，其中mx为第二剪切干涉图像的竖干涉条纹相对第一剪切干涉图像的竖干涉条纹的位移量。

对检测场130加温度干扰时，温度使得激光光束的光程差发生变化，同时检测场130的折射率相对改变，剪切干涉的条纹发生位移，其中光程差的变化与干涉条纹的位移量的关系：

其中，n1和n2分别为光线l1和光线l2所经过检测场130的折射率，l为检测场130在光轴方向的长度。m为第二剪切干涉图像相对于第一剪切干涉图像的干涉条纹的位移量，λ为激光光源100发出光束的波长，波长为632.8nm。

若检测场130沿光轴方向折射率呈均匀分布，则有：

l(n1-n2)＝mλ(2-2)

gladstone-dale公式为：

(n-1)＝kρ(2-3)

其中，k是gladstone-dale公式的常数，n为气体折射率，ρ为气体密度。得到检测场130的气体密度与所述条纹位移量的关系：

kl(ρ1-ρ2)＝mλ(2-4)

其中ρ1为光线l1所经过检测场130的气体密度，ρ2为光线l2所经过检测场130的空气密度。

光线l1和光线l2的错位量与光线l1和l2经过介质的折射率与光束剪切量的关系：

对所述装置测量的区域用xy坐标表示，其中n(x,y)为测量区域中任一点的气体折射率，n(x,y-δ)为光经过测量区域中(x,y-δ)的折射率，n(x-δ,y)为光经过测量区域中(x-δ,y)的折射率，δ代表光线l1和光线l2的剪切量，即光线l1和光线l2的错位量。

其中δx为水平方向的剪切量，δy为竖直方向的剪切量，为水平方向上折射率梯度，为竖直方向上的折射率梯度，结合公式(2-2)、(2-5)和(2-6)得到折射率梯度：

其中mx为第二剪切干涉图像相对第一剪切干涉图像的竖干涉条纹的位移量，my为第二剪切干涉图像相对第一剪切干涉图像的横干涉条纹的位移量。

结合公式(2-3)得到密度梯度：

其中，为水平方向的密度梯度，为竖直方向的密度梯度。

由理想状态气体状态方程得到：

pm＝ρtr(2-11)

其中，p为大气压强，结合式子(2-2)和(2-3)得到，

整理得到温度倒数的梯度，其中，m为混合气体的摩尔质量，r为气体常数，t1为光线l1经过检测场130区域的温度，t2为光线l2经过检测场130区域的温度。对所述得到的温度倒数梯度进行积分再取倒数，得到检测场130的温度分布。

所述检测场130内设置可控温电烙铁110，测量检测场130内的温度，使用可控温电烙铁110改变检测场130内的温度。

在已知检测场130中参考气体的初始温度的情况下，在本实施例中参考气体温度为室温，先对温度倒数沿x方向(水平方向)积分得到一维温度倒数分布，再沿y方向(竖直方向)积分可以得到二维温度倒数的分布，将得到的数据取倒数即可得到温度场分布。

所述x方向为横干涉条纹的方向，即为水平方向，所述y方向为竖干涉条纹的方向，即为竖直方向，所述温度分布可以从x方向和y方向两个方向得到，可以验证测量的准确性。所述密度梯度和折射率梯度分别为沿x方向和沿y方向两个方向的梯度，一次测量可以得到两个方向的两种参数梯度，节省测量成本。

通过改变加热模块在检测场130的位置，来测试本实用新型的检测的折射率梯度、密度梯度和温度分布的准确性。

为了确保实验的准确性，所述检测场130设置在四周封闭，上方不封闭的k9玻璃盒子内。

首先采集检测场130不加干扰时的参考气体的第一剪切干涉图像。

参考图11，将检测场130的可控温电烙铁110的温度调制723.15k，将可控温电烙铁110放置在检测场130的第一位置，使得所述可控温电烙铁110的发热端距离所述检测场130的光斑120左边缘10mm和下边缘20mm处，可控温电烙铁110产生热量干扰检测场130，得到待测气体，采集待测气体的第二剪切干涉图像。

对第一剪切干涉图像和第二剪切干涉图像依次进行滤波、二值化、细化和去毛刺，分别求出加干扰后的横干涉条纹相对未加干扰的横干涉条纹的位移量，以及加干扰后的竖干涉条纹相对未加干扰的竖干涉条纹的位移量，根据位移量分别求出此时检测场130的折射率梯度、密度梯度和温度分布。

参考图12至图17，当可控温电烙铁110放置在第一位置时，图12为沿x方向的折射率梯度示意图，图13为沿y方向的折射率梯度示意图，图14为沿x方向的密度梯度示意图，图15为沿y方向的密度梯度示意图，图16为可控温电烙铁110放置在第一位置时的密度分布图，图17为可控温电烙铁110放置在第一位置时的温度分布图。

参考图18，保持可控温电烙铁110的温度，将可控温电烙铁110放置在第二位置，使得所述可控温电烙铁110的发热端距离所述检测场130的光斑120左右边缘10mm和下边缘20mm处，同理可求出此时检测场130的折射率梯度、密度梯度和温度分布。

参考图19至图24，当可控温电烙铁110放置在第二位置时，图19为沿x方向的折射率梯度示意图，图20为沿y方向的折射率梯度示意图，图21为沿x方向的密度梯度示意图，图22为沿y方向的密度梯度示意图，图23为可控温电烙铁110放置在第二位置时的密度分布图，图24为可控温电烙铁110放置在第二位置时的温度分布图。

所述x方向为横干涉条纹的方向，所述y方向为竖干涉条纹的方向，所述温度分布、密度梯度和折射率梯度均可以从x方向和y方向两个方向得到，可以验证测量的准确性。

结合加热模块的位置，分别对比图12与图19，以及图14与图21，x方向的折射率梯度和密度梯度都随温度增大而缓慢增大。分别对比图13与图20，以及图15与图22，y方向的折射率梯度和密度梯度却随温度减小而增大。

所述第一位置和第二位置均在检测场130的下部，检测场130的四周为密闭的，水平方向气流的流速缓慢，但是检测场130的上方与大气流通，流速比检测场130下方的流速大，所以折射率梯度随流速增大而增大。说明流速对空气折射率梯度和密度梯度的影响比温度的影响大。

根据实验原理，主要由公式(2-11)、(2-13)和(2-14)分别重建可控温电烙铁110放在第一位置和第二位置的密度分布图和温度分布图，其中图16为可控温电烙铁110放置在第一位置时的密度分布图，图17为可控温电烙铁110放置在第一位置时的温度分布图，图23为可控温电烙铁110放置在第二位置时的密度分布图，图24为可控温电烙铁110放置在第二位置时的温度分布图。

对于密度场和温度场的分辨能力取决于相邻两干涉条纹的位移量反映的密度差和温度差。通过第一剪切干涉图像和第二剪切干涉图像进行处理，使用labview编程对第一剪切干涉图像和第二剪切干涉图像依次进行滤波、二值化、细化和去毛刺，对第一剪切干涉图像和第二剪切干涉图像进行去噪，得到横干涉条纹和竖干涉条纹，然后使用坐标识别功能，得到相邻横干涉条纹间距为0.3774mm，相邻竖干涉条纹间距为0.3145mm。相邻横干涉条纹间平均密度差为0.0004kg/m³，相邻竖干涉条纹间平均密度差为0.0005kg/m³。所以密度垂直分辨能力1.1*10^-3kg/(m³*mm)，密度水平分辨能力为1.6*10^-3kg/(m³*mm)。相邻横干涉条纹间平均温度差为0.1475k，相邻竖干涉条纹间平均温度差为0.1120k；温度垂直分辨能力为0.3908k/mm，温度水平分辨能力为0.3561k/mm。

本实用新型从水平和竖直两个维度去检测待测气体的折射率梯度、密度梯度和温度分布，使得检测准确性更高。现有技术的检测若只是一维检测则需要多次检测来进行验证，而本实用新型检测一次相当于检测两次，而且是同时检测，具有更加好的准确性，检测精度高，大大降低了检测的工序。

同时本实用新型装置通过平面平晶产生两束错位的干涉光而形成干涉条纹的，相当于同轴光束，能达到抗震的效果。适应性强，能在各种复杂的环境下应用。

作为优选的实施方式，所述第一平面平晶500沿竖直方向设置，与垂直地面的方向有倾角，所述第一平面平晶500与垂直地面方向的倾角为第一倾角θ1，其中0°＜θ1≤1°。所述第二平面平晶600沿水平方向设置，与水平地面的方向有倾角，所述第二平面平晶600与水平地面方向的倾角为第二倾角θ2，其中0°＜θ2≤15°，因为所述第一平面平晶500和第二平面平晶600分别设有第一倾角θ1和第二倾角θ2，所述第一倾角θ1和第二倾角θ2使入射光产生的光程差程线性变化，形成明暗相间的干涉条纹。

进一步作为优选的实施方式，所述激光光源100为he-ne激光器。

进一步作为优选的实施方式，所述激光光源100为二氧化碳激光器。

进一步作为优选的实施方式，所述采集模块800为相机。

所述相机将采集得到的第一剪切干涉图像和第二剪切干涉图像发送到电脑处理终端900。

进一步作为优选的实施方式，所述第一透镜300和第二透镜400为准直透镜。

所述第一透镜300和第二透镜400对入射光进行会聚，提高光利用率。

以上对本实用新型的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。