基于可调谐光谱的可变光程气室组分检测系统及方法

本发明涉及基于光学的气体组分检测
技术领域：
，具体的说是一种基于可调谐光谱的可变光程气室组分检测系统及方法。
背景技术：
：现有工业技术中，常常需要对气体组分进行检测。然而如何简单、快速、便捷的进行组分测量成为了检测领域热门研究话题。现有技术中，有提出采用光学技术进行分析，利用不同组分气体对光照强度的吸收不同原理，结合入射和出射光的光照强度差异，来进行组分分析。该技术在工业中迅速推广并使用。然而随着使用的发现，工业往往要求现场采集气体并快速的测量组分，当传送距离过长时，组分可能由于发生化学或者物理反应发生组分变化，则对光照组分检测分析仪提出了新的要求，需要适用于现场安装、采集的设备。但是一般工业现场管路复杂，纵横交错，可使用操作范围小，在对光照组分检测分析仪进行设计时，需要对现有的尺寸小型化，以适应现场和工业需求。随着设计和使用发现，由于光照组分检测分析仪设计尺寸的减小，其内部检测气室也随之体积减小，从而导致气室入射孔和出射孔距离缩短。气体吸收光强差的光程明显缩短，光照强度差值不明显甚至几乎不变，对于组分比较类似的气体组分或者对光程要求较高的混合混合气体，则较小的气室无法满足检测需求，然而工业现场又无法改变，针对上述需求，有必要提出一种设计，来解决小气室的光照组分检测分析仪存在的问题。技术实现要素：针对上述问题，本发明提供了一种基于可调谐光谱的可变光程气室组分检测系统及方法，不改变现有光照组分检测分析仪尺寸以及内部气室尺寸，利用光的反射原理，改变光程。并且通过改变透镜的入射反射角度，实现光程的改变，实现高精度气体组分测量。为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：一种基于可调谐光谱的可变光程气室组分检测系统，其关键技术在于：包括可变光程箱体，该可变光程箱体内部经横设的第一挡板、第二挡板分成由下至上的进出光室、光程调节气室和镜片驱动气室；所述进出光室对应的所述可变光程箱体侧壁上开设有进光孔和出光孔，所述进光孔内安装光发射仪，所述出光孔安装有光分析仪，所述第一挡板板面上开设有进光过孔和出光过孔，所述进出光室内还活动安装有入射凹透镜和出射凹透镜，所述进光孔中轴线、进光过孔中轴线均穿过所述入射凹透镜，所述出光孔中轴线和所述出光过孔中轴线均穿过所述出射凹透镜；所述第一挡板顶面固定有主凹透镜，所述第二挡板底部活动安装有至少两块光程延长凹透镜。通过上述设计，将气室分成几个分区气室，通过安装入射凹透镜将入射光反射至光程调节气室内，结合光程调节气室内的主凹透镜与多块光程延长凹透镜，对光线进行反射调节，实现光程的延长。不改变现有气室的尺寸和组分分析仪的结构，实现光程调节。进一步的技术方案为，所述第一挡板底部竖向安装有入射凹透镜安装板和出射凹透镜安装板，所述进光过孔中轴线与所述入射凹透镜安装板相垂直，所述出光过孔中轴线与所述出射凹透镜安装板相垂直；所述入射凹透镜活动安装在所述入射凹透镜安装板上；所述出射凹透镜活动安装在所述出射凹透镜安装板上。采用上述设计，通过入射凹透镜安装板和出射凹透镜安装板，实现入射凹透镜和出射凹透镜的活动安装，便于将入射光线引入光程调节气室内，将出射光线引出光程调节气室。再进一步的技术方案，所述入射凹透镜与入射旋转电机旋转输出轴连接，所述入射旋转电机固定在所述入射凹透镜安装板上；所述出射凹透镜与出射旋转电机旋转输出轴连接，所述出射旋转电机固定在所述出射凹透镜安装板上；每个所述光程延长凹透镜与对应与一个光程延长旋转电机旋转输出轴连接，所有所述光程延长旋转电机均固定在所述第二挡板底部。采用上述方案，入射旋转电机、出射旋转电机、光程延长旋转电机可以对入射凹透镜、出射凹透镜、光程延长凹透镜的设置角度进行调节。在光程调节气室内，通过调节光程延长凹透镜的角度可以增加或者减少反射次数，从而改变光程，以符合不同组分气体的检测需求。再进一步的技术方案为，所述镜片驱动气室内设置有主控制器；所述主控制器的光程长度设定端连接有触摸显示器，用于获取所需要的光程长度和显示控制状态；所述主控制器的光发射控制端连接有光发射仪，所述主控制器的气体分析端连接有光分析仪；所述主控制器的入射凹透镜驱动端上连接有入射旋转电机驱动电路，所述入射旋转电机驱动电路的驱动输出端与所述入射旋转电机连接，所述入射旋转电机的旋转输出轴上设置有入射角度检测器，所述入射角度检测器与所述主控制器的入射角度检测端连接；所述主控制器的出射凹透镜驱动端上连接有出射旋转电机驱动模块，所述出射旋转电机驱动电路的驱动输出端与所述出射旋转电机连接，所述出射旋转电机的旋转输出轴上设置有出射角度检测器，所述出射角度检测器与所述主控制器的出射角度检测端连接；所述主控制器的光程延长凹透镜驱动端上连接有光程延长旋转电机驱动模块，所述光程延长旋转电机驱动电路的驱动输出端与所述光程延长旋转电机连接，所述光程延长旋转电机的旋转输出轴上设置有光程延长角度检测器，所述光程延长角度检测器与所述主控制器的光程延长角度检测端连接。采用上述技术方案，结合主控制器，实现系统智能控制，通过触摸屏获取所需的光程，对气室尺寸和几个透镜的距离，对入射凹透镜、出射凹透镜和光程延长凹透镜的角度进行调节，从而使入射光线经多次反射达到所需的光程，来满足气体组分检测需求。当达到设计需要，通过控制光发射仪发出光线，光分析仪接收光线，实现光的发射与接收，结合发射光和接收光的强度差值，对组分进行分析。在调节电机时，结合角度传感器时间检测反馈，实现闭环调节，控制精度高。对于每个不同的尺寸的气室，其反射角度均不相同，在进行设计时，需要预先进行调节调整得到不同光程下的电机旋转角度和透镜朝向角度值，并形成数据库暂存在主控制器内。当需要对应光程时，控制对应的电机旋转至对应的角度即可完成光程的改变。一种可变光程气室组分检测方法，其关键步骤包括：用于对光发射仪发射偏转光路进行修正的步骤；用于对光程进行调节的步骤；用于光分析仪进行气体组分分析的步骤。再进一步的技术方案中，所述用于对光发射仪发射偏转光路进行修正的步骤中采用傅里叶分析仪对光发射仪发射偏转光路进行修正，具体为：s11：获取傅里叶分析仪入射镜片a半径ra或者出射镜片b半径rb并获取所述光发射仪发射的光斑半径rf；s12：将光发射仪发射的光线从入射镜片a发射到出射镜片b；s13：调节入射镜片a到出射镜片b之间的距离，使光发射仪发出的光恰好偏离所述出射镜片b，并获取当前时刻入射镜片a到出射镜片b之间的距离l；s14：根据公式计算光偏转角度x：s15：根据光偏转角度x对所述发射偏转光路进行修正。采用上述步骤，使入射的光线更为准确，由于在气室内会发生多次发射，若入射光线存在偏差，经多次反射有，偏差则会成倍加大，导致光程不可控，无法达到对应的光程，误差大。再进一步的，所述用于对光程进行调节的步骤内容为：s21：初始化，主控制器确定可变光程箱体内入射凹透镜、出射凹透镜、主凹透镜和所有光程延长凹透镜的尺寸数据以及两两之间的距离；s22：主控制器获取气体检测所需的光程值lg；s23：根据步骤s21数据和达到步骤s22的所需的光程值lg，得到需要对光程延长凹透镜进行调节的预旋转角度；s24：主控制器光程延长凹透镜驱动端发出旋转驱动信号，控制光程延长旋转电机按照预旋转角度旋转，并获取光程延长角度检测器反馈信号。采用上述方案，针对气室的尺寸，自适应的实现电机及相关旋转角度调节，快速智能。再进一步的技术方案，所述用于光分析仪进行气体组分分析的步骤中采用比尔朗博定律计算被测气体吸收了光程值为lg的光的光输出强度iv至来确定气体组分，其中光输出强度iv的计算公式为：iv＝i0exp[-a(v)clg]＝i0exp[-a(v)]；iv是通过被测气体吸收了光程值为lg的光的光输出强度，i0是光初始光强，c为吸收物体积浓度，a(v)是频率为v时吸光物质的吸收系数；根据光输出强度iv、光初始光强i0、光程值lg以及气体组分之间的关系表得到所述气体组分。根据上述公式得到光输出强度，利用光输入和输出强度值的差值，利用现有光组分分析仪的分析方法即可得到气体组分。本发明的有益效果：将气室分成几个分区气室，通过安装入射凹透镜将入射光反射至光程调节气室内，结合光程调节气室内的主凹透镜与多块光程延长凹透镜，对光线进行反射调节，实现光程的延长。不改变现有气室的尺寸和组分分析仪的结构，实现光程调节。结合主控制器，实现系统智能控制，通过触摸屏获取所需的光程，对气室尺寸和几个透镜的距离，对入射凹透镜、出射凹透镜和光程延长凹透镜的角度进行调节，从而使入射光线经多次反射达到所需的光程，来满足气体组分检测需求。当达到设计需要，通过控制光发射仪发出光线，光分析仪接收光线，实现光的发射与接收，结合发射光和接收光的强度差值，对组分进行分析。在调节电机时，结合角度传感器时间检测反馈，实现闭环调节，并且对入射光线进行了校正，使光程控制精度高，实现高精度气体组分检测。附图说明图1是本发明气室机构示意图；图2是主控制器控制框图；图3是气室光线光路图一；图4是气室光线光路图二；图5是处于无任何偏转时的入射光线光斑分布示意图；图6是入射光线偏转光路进行修正流程图；图7是当入射光沿x轴偏转3.32度时气室光线光路图；图8是当入射光修正后气室光线光路图；图9是光程进行调节流程图；图10是120cm光路下的模型光路图与吸收光通量图；图11是60cm光路下的模型光路图与吸收光通量图；图12是120cm光路下的杂光入射模型图；图13是120cm光路下的杂光入射吸收谱图。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。一种基于可调谐光谱的可变光程气室组分检测系统，从图1可以看出，包括可变光程箱体1，该可变光程箱体1内部经横设的第一挡板2、第二挡板3分成由下至上的进出光室、光程调节气室和镜片驱动气室。从图1可以看出、图3以及图4，可变光程箱体1内设置有5块镀膜反射镜片，分别为入射凹透镜8、出射凹透镜9、主凹透镜10和两块光程延长凹透镜11。在本实施例中，主凹透镜10曲率半径为200mm，入射凹透镜8的曲率半径为450，出射凹透镜9的曲率半径为0。在本实施例中，结合图1可以看出，所述进出光室对应的所述可变光程箱体1侧壁上开设有进光孔4和出光孔5，所述进光孔4内安装光发射仪，所述出光孔5安装有光分析仪，所述第一挡板2板面上开设有进光过孔6和出光过孔7，所述进出光室内还活动安装有入射凹透镜8和出射凹透镜9，所述进光孔4中轴线、进光过孔6中轴线均穿过所述入射凹透镜8，所述出光孔5中轴线和所述出光过孔7中轴线均穿过所述出射凹透镜9；所述第一挡板2顶面固定有主凹透镜10，在所述第二挡板3底部活动安装有两块光程延长凹透镜11。结合图1还可以看出，在本实施例中，由于进出光室从进光孔到出光孔距离较大，则在安装入射凹透镜和出射凹透镜时，分别采用的是一个板子进行安装。即在所述第一挡板2底部竖向安装有入射凹透镜安装板12和出射凹透镜安装板13，所述进光过孔6中轴线与所述入射凹透镜安装板12相垂直，所述出光过孔7中轴线与所述出射凹透镜安装板13相垂直；在本实施例中，参见图1还可以看出，所述入射凹透镜8经入射旋转电机14活动安装在所述入射凹透镜安装板12上；即所述入射凹透镜8与入射旋转电机14旋转输出轴连接，所述入射旋转电机14固定在所述入射凹透镜安装板12上。所述出射凹透镜9经出射旋转电机15活动安装在所述出射凹透镜安装板13上。即所述出射凹透镜9与出射旋转电机15旋转输出轴连接，所述出射旋转电机15固定在所述出射凹透镜安装板13上。在本实施例中，两个所述光程延长凹透镜11与分别对应与一个光程延长旋转电机16旋转输出轴连接，两个所述光程延长旋转电机16均固定在所述第二挡板3底部。图1可以看出，所述镜片驱动气室内设置有主控制器k；在本实施例中，参见图2可以看出，所述主控制器k的光程长度设定端连接有触摸显示器m，用于获取所需要的光程长度和显示控制状态；在本实施例中，当主控制器k不存在触摸显示器m输入的光程长度时，则选择大于输入光程长度且邻近的光程长度值。在本实施例中，参见图2可以看出，所述主控制器k的光发射控制端连接有光发射仪，用于向进光孔4发出设定强度的光线光路。所述主控制器k的气体分析端连接有光分析仪；用于接收气室的出光孔5射出的光路。在本实施例中，参见图2可以看出，主控制器k设置有入射电机反馈闭环控制系统，即所述主控制器k的入射凹透镜驱动端上连接有入射旋转电机驱动电路k11，所述入射旋转电机驱动电路k11的驱动输出端与所述入射旋转电机14连接，所述入射旋转电机14的旋转输出轴上设置有入射角度检测器k12，所述入射角度检测器k12与所述主控制器k的入射角度检测端连接；在本实施例中，参见图2可以看出，主控制器k设置有出射电机反馈闭环控制系统，即所述主控制器k的出射凹透镜驱动端上连接有出射旋转电机驱动模块k21，所述出射旋转电机驱动电路k21的驱动输出端与所述出射旋转电机15连接，所述出射旋转电机15的旋转输出轴上设置有出射角度检测器k22，所述出射角度检测器k22与所述主控制器k的出射角度检测端连接；在本实施例中，参见图2可以看出，主控制器k还设置有光程延长电机反馈闭环控制系统。即所述主控制器k的光程延长凹透镜驱动端上连接有光程延长旋转电机驱动模块k31，所述光程延长旋转电机驱动电路k31的驱动输出端与所述光程延长旋转电机16连接，所述光程延长旋转电机16的旋转输出轴上设置有光程延长角度检测器k32，所述光程延长角度检测器k32与所述主控制器k的光程延长角度检测端连接。在本实施例中，角度检测器使用mpu6050传感器；其工作电压为直流电同时检测精度高，角速度全格感的检测范围达到了250—250度/sec在本实施例中，旋转电机选用ulm2803步进电机驱动，选用该驱动电路是由于单片机本身输出电压不足，无法实现电机驱动，所以需要ulm步进电机驱动来进行。在本实施例中，机械模块则选用于镜片相连接的机械摆动，能够更好的实现镜片角度的精度控制。同时使用两个步进电机对镜片机械控制模块进行连接，实现两个轴方向的调节，从而达到镜片的多角度调节效果。在进行了初步的系统设计后，需要考虑控制精度的问题。由于气室镜片偏转要求角度控制精度极高，如果仅仅通过单片机进行直接控制是无法达到理想的控制精度的，所以本电路的控制系统采用pid控制系统，实现电机的快速相应。参见图3，为气室内部光路最短时的基础光程光路，每个光程延长凹透镜均历经了一次反射。参加图4，对光程延长凹透镜设置角度经光程延长旋转电机调节后，光程光路发生变化。一种可变光程气室组分检测方法，包括：用于对光发射仪发射偏转光路进行修正的步骤；用于对光程进行调节的步骤；用于光分析仪进行气体组分分析的步骤。其中用于对光发射仪发射偏转光路进行修正的步骤中采用傅里叶分析仪对光发射仪发射偏转光路进行修正，参见图6，具体内容为：s11：获取傅里叶分析仪入射镜片a半径ra或者出射镜片b半径rb；并获取所述光发射仪发射的光斑半径rf；s12：将光发射仪发射的光线从入射镜片a发射到出射镜片b；s13：调节入射镜片a到出射镜片b之间的距离，使光发射仪发出的光恰好偏离所述出射镜片b，并获取当前时刻入射镜片a到出射镜片b之间的距离l；s14：根据公式计算光偏转角度x：s15：根据光偏转角度x对所述发射偏转光路进行修正。当光路无任何偏转时，其入射光线通过激光观测卡得到的光斑分布详见图5。当光路出现偏转时，采用上述步骤，计算偏转角度。在本实施例中，假设傅里叶分析仪中的入射镜片a处到出射镜片b处的距离l＝250mm，一束入射光为一平行光，从入射镜片a处射向出射镜片b处。入射镜片a和出射镜片b的半径ra，rb相等且均等于17mm。同时还需要考虑光发射仪发射的光斑具有一定直径，通过光斑对比可看出其光斑最大直径为5mm，则光发射仪发射的光斑半径rf所以带入上述公式得到：则x＝3.32°。结合图7和图8可以看出，当光路沿x轴偏转且光偏转角度x＝3.32°时，参见图7，整体光路就发生了巨大的影响。经修正后，参见图8，进行光程变换后仍能实现正常光路。参见图9，所述用于对光程进行调节的步骤内容为：s21：初始化，主控制器k确定可变光程箱体1内入射凹透镜8、出射凹透镜9、主凹透镜10和所有光程延长凹透镜11的尺寸数据以及两两之间的距离；s22：主控制器k获取气体检测所需的光程值lg；s23：根据步骤s21数据和达到步骤s22的所需的光程值lg，得到需要对光程延长凹透镜11进行调节的预旋转角度；s24：主控制器k光程延长凹透镜驱动端发出旋转驱动信号，控制光程延长旋转电机16按照预旋转角度旋转，并获取光程延长角度检测器k32反馈信号。所述用于光分析仪进行气体组分分析的步骤中采用比尔朗博定律计算被测气体吸收了光程值为lg的光的光输出强度iv至来确定气体组分，其中光输出强度iv的计算公式为：iv＝i0exp[-a(v)clg]＝i0exp[-a(v)]；iv是通过被测气体吸收了光程值为lg的光的光输出强度，i0是光初始光强，c为吸收物体积浓度，a(v)是频率为v时吸光物质的吸收系数；根据光输出强度iv、光初始光强i0、光程值lg以及气体组分之间的关系表得到所述气体组分。当对所设计的气室进行了光路仿真与硬件控制仿真后，需要构建气室模型，来模拟实际气室的光路走向与杂光干扰。通过使用tracepro进行了整体的模型构建。在进行模型构建时需要考虑以下问题：模型镜片的选用与模型的长宽高等各个参数，模型光源的偏转如何解决，模型的杂光干扰如何分析。模型各项参数的使用：根据上述研究，本系统光源为中红外光源，所以将镜片定位常用的反射镜镀膜是无法进行中红外波段反射的，所以方案设计中考虑的是thorlabs公司的金膜反射镜，其可以进行中红外波段的反射，且平均反射率达到了98％。其次则是反射镜大小的设计，根据傅里叶红外分析仪的入射镜大小与所使用直筒气室的入射镜大小。所以在进行设计时镜反射镜片的大小初步定位了直径34mm。由zemax光路仿真可看出本设计的镜片共有5块，具体参数为详见表1.表1透镜参数表镜片类型入射凹透镜主凹透镜光程延长凹透镜镜片材料n-bk7玻璃n-bk7玻璃n-bk7玻璃镜片镀膜镀金膜镀金膜镀金膜反射率平均反射率96％平均反射率96％平均反射率96％曲面半径450mm200mm300mm镜片半径17mm62mm40mm厚度6.4mm6.4mm6.4mm在本实施例中，两块光程延长凹透镜的调整角度和光程对应关系详见表2。表2角度偏转与光程调节的关系在本实施例中，可变光程箱体1的设计参数详见表3。表3可变光程箱体大小方案设计可变光程箱体长度小于200mm可变光程箱体宽度小于250mm可变光程箱体高度保证光程发射误差较小，小于200mm可变光程箱体抗压未有高压要求可变光程箱体材料具有一定抗压与光吸收率的合金出射光检测仪口径34mm根据表1-3的参数进行吸收气室的设计，其模型在120cm处的光路仿真图详见图10。与在光路图中的测试相同，将上方两块凹面镜进行度数调整后，整体光程光路改变为60cm，得到60cm处的光路仿真图详见图11。仿真气室的杂光分析：在进行气室设计时还需考虑一个重要影响，那就是杂光对于气室的影响。虽然吸收气室所用反射镜片对于中红外的反射率要大大强于对于杂光的反射率，同时，气室内部采用了合金材料，其对光的吸收率较强，反射率并不高，所以杂光在气室中并没有进行多次的反射。但有的杂光散射到了吸收面，对最后的图谱分析，造成了一定的噪声影响。首先对设备内部各个面的进行杂光分析。通常对杂光的影响计算采用杂光系数的计算公式：现在计算气室内部各个面的杂光系数，引入杂光光束20000条，采用自由分布，入射杂光总能量假设为20000瓦。得到杂光引入模型，详见图12。得到杂光系数如表4：表4杂光系数在气室内部的数值右侧面0.02％左侧面0.037％正下面0.2％正面0.1％后面0.09％正上面0.1％各个在气室中的各个面杂光影响度并不高，并且得到相应的吸收光谱图，详见图13。可以看出，中心实际的红外反射光能量要大大强于杂光能量，对于检测设备精度的影响较小，由此可验证气室模型设计的可行性。应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本
技术领域：
的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。当前第1页12