一种多点协同激光模组及气体检测系统的制作方法
【专利摘要】本申请公开了一种多点协同激光模组及气体检测系统，其中，所述多点协同激光模组包括封装外壳、主检测激光器、准直扩束系统、傅里叶透镜、辅助激光器组以及控制装置；所述多点协同激光模组能够以正入射的形式向所述气体样品室发送主检测激光，同时能够以斜入射方式向所述气体样品室发送至少四条辅助检测激光；在对待测样品进行检测的过程中，通过所述气体样品室出射的主检测激光携带的待测样品信息可以被通过所述气体样品室出射的至少四条辅助检测激光所携带的待测样品信息所弥补，保证了对待测气体信息探测的全面性，从而有效地扩大了粒径检测的下限，进而提升了整个气体检测系统的检测精度以及检测数据的可靠性。
【专利说明】
一种多点协同激光模组及气体检测系统
技术领域
[0001 ]本申请涉及气体检测技术领域，更具体地说，涉及一种多点协同激光模组及气体检测系统。
【背景技术】
[0002]近些年来，随着空气污染程度的日益加重，雾霾成为困扰我国众多城市的污染源之一。雾霾是对大气中各种悬浮颗粒物韩玲超标的笼统表述，如何检测大气中的悬浮颗粒物是治理雾霾天气的前提条件。
[0003]现今主流的大气悬浮颗粒物浓度的检测方法是光散射法，其理论基础是米氏散射，即入射光遇到待测空气中的悬浮颗粒物会发生散射，被所述悬浮颗粒物散射的散射光的光强分布包含悬浮颗粒物的粒径大小、粒度分布浓度等信息。通过一定方式获得所述散射光的光强信息即可反演出所述悬浮颗粒物的相关信息。基于光散射法的检测系统在检测过程中只需将待测空气采样到气体样品室中，通过光源发送检测光线进入气体样品室中进行测量即可。但是在测量过程中所述检测光线的部分散射光在从气体样品室中出射时会发送全反射现象，进而无法被设置在所述气体样品室出射面一侧的探测装置探测到，而这些被全反射的散射光包含了大量的悬浮颗粒物信息，这些信息的丢失会降低整个检测系统的检测精度和检测数据可靠性。
【发明内容】
[0004]为解决上述技术问题，本发明提供了一种多点协同激光模组及气体检测系统，以解决由于在检测过程中检测光线的部分散射光从气体样品室中出射时被全反射而导致的整个检测系统的检测精度和检测数据可靠性的降低的问题。
[0005]为解决上述技术问题，本发明实施例提供了如下技术方案:
[0006]—种多点协同激光模组，应用于基于光散射法的气体检测系统，所述检测系统包括气体样品室;所述多点协同激光模组包括:
[0007]封装外壳，所述封装外壳包括出射面；
[0008]设置于所述封装外壳内部的主检测激光器，用于发送主检测激光；
[0009]设置于所述主检测激光器与所述出射面之间的准直扩束系统，用于对所述主检测激光进行准直扩束处理；
[0010]设置于所述出射面内的傅里叶透镜，用于对经过准直扩束处理后的主检测激光进行逆向傅里叶变换后获得主检测激光，所述主检测激光以正入射的方式进入所述气体样品室;
[0011]设置于所述出射面内的辅助激光器组，所述辅助激光器组包括至少四个辅助检测激光器，所述至少四个辅助检测激光器设置于所述傅里叶透镜四周，用于以斜入射方式向所述气体样品室发送至少四束辅助检测激光；
[0012]设置于所述封装外壳内，与所述主检测激光器及辅助激光器组连接的控制装置，用于驱动所述主检测激光器发送主检测激光和用于驱动所述辅助激光器发送至少四束辅助检测激光。
[0013]优选的，所述控制装置还用于获取所述主检测激光器及辅助激光器组的温度，并将其稳定在预设温度范围内。
[0014]优选的，所述控制装置包括:温度传感器、处理装置、致冷器和驱动电路;其中，
[0015]所述驱动电路用于驱动所述主检测激光器发送主检测激光及驱动所述辅助激光器组发送至少四束辅助检测激光，并保持所述主检测激光及所述至少四束辅助检测激光的波长稳定；
[0016]所述温度传感器用于获取所述主检测激光器及辅助激光器组的温度信息；
[0017]所述处理装置用于获取所述温度信息，并根据所述温度信息控制所述制冷器的工作状态。
[0018]优选的，所述处理装置为单片机或微处理器。
[0019]优选的，所述准直扩束系统包括:
[0020]设置于所述主检测激光器与所述出射面之间的扩束镜；
[0021 ]设置于所述扩束镜远离所述主检测激光器一侧的针孔；
[0022]设置于所述针孔远离所述扩束镜一侧的准直镜；
[0023]设置于所述准直镜远离所述针孔一侧的光阑。
[0024]优选的，所述辅助激光器组包括四个辅助检测激光器，所述四个辅助检测激光器均匀分布于所述傅里叶透镜四周。
[0025]优选的，所述辅助检测激光器为蓝光激光器或红光激光器或绿光激光器。
[0026]优选的，所述主检测激光器为红光激光器。
[0027]—种气体检测系统，用于检测待测气体，所述系统包括:至少一个如上述任一实施例所述的多点协同激光模组、气体样品室、探测装置和处理系统;其中，
[0028]所述气体样品室用于存储待测样品；
[0029]所述多点协同激光模组用于向所述气体样品室发送主检测激光和至少四束辅助检测激光，所述主检测激光以正入射方式进入所述气体样品室，所述至少四束辅助检测激光以不同角度入射所述气体样品室；
[0030]所述探测装置用于探测通过所述气体样品室出射的携带有待测样品信息的主检测激光和至少四束辅助检测激光，并将其传送给所述处理系统；
[0031]所述处理系统用于根据所述携带有待测样品信息的主检测激光和至少四束辅助检测激光获取所述气体样品室中待测样品的待测样品信息。
[0032]优选的，所述探测装置包括主光电探测器和辅助探测器;其中，
[0033]所述主光电探测器用于探测通过所述气体样品室出射的携带有待测样品信息的主检测激光；
[0034]所述辅助探测器用于探测通过所述气体样品室出射的携带有待测样品信息的至少四条辅助检测激光。
[0035]从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种多点协同激光模组及气体检测系统；其中，所述多点协同激光模组能够以正入射的形式向所述气体样品室发送主检测激光，同时能够以斜入射方式向所述气体样品室发送至少四条辅助检测激光；由于所述至少四束辅助检测激光的入射方向与所述主检测激光的入射方向均不相同，被待测气体散射后被气体样品室全反射的光线所携带的待测样品信息也均不相同，因此在对待测样品进行检测的过程中，通过所述气体样品室出射的主检测激光携带的待测样品信息可以被通过所述气体样品室出射的至少四条辅助检测激光所携带的待测样品信息所弥补，保证了对待测气体信息探测的全面性，从而有效地扩大了粒径检测的下限，进而提升了整个气体检测系统的检测精度以及检测数据的可靠性。
[0036]并且由于所述封装外壳的一体化封装，使得所述多点协同激光模组具有良好的稳定性。
【附图说明】
[0037]为了更清楚地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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0038]图1为本申请的一个实施例提供的一种多点协同激光模组的结构不意图；
[0039]图2为本申请的一个实施例提供的一种控制装置的结构示意图；
[0040]图3为本申请的一个实施例提供的一种准直扩束系统的结构示意图；
[0041]图4为本申请的一个实施例提供的一种辅助激光器组的结构示意图；
[0042]图5为本申请的一个实施例提供的一种气体检测系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0043]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，都属于本发明保护的范围。
[0044]本申请公开了一种多点协同激光模组，应用于基于光散射法的气体检测系统，所述检测系统包括气体样品室;如图1所示，所述多点协同激光模组包括:
[0045]封装外壳100，所述封装外壳100包括出射面；
[0046]设置于所述封装外壳100内部的主检测激光器200，用于发送主检测激光；
[0047]设置于所述主检测激光器200与所述出射面之间的准直扩束系统300，用于对所述主检测激光进行准直扩束处理；
[0048]设置于所述出射面内的傅里叶透镜500，用于对经过准直扩束处理后的主检测激光进行逆向傅里叶变换后获得主检测激光，所述主检测激光以正入射的方式进入所述气体样品室；
[0049]设置于所述出射面内的辅助激光器组400，所述辅助激光器组400包括至少四个辅助检测激光器，所述至少四个辅助检测激光器设置于所述傅里叶透镜500四周，用于以斜入射方式向所述气体样品室发送至少四束辅助检测激光；
[0050]设置于所述封装外壳100内，与所述主检测激光器200及辅助激光器组400连接的控制装置(附图1中未示出)，用于驱动所述主检测激光器200发送主检测激光和用于驱动所述辅助激光器发送至少四束辅助检测激光。
[0051]需要说明的是，一般来讲基于光散射法的气体检测系统中采用的主检测激光器200—般为能够发射红光激光的红光激光器。但在本申请的其他实施例中，所述主检测激光器200还可以为蓝光激光器或滤光激光器。本申请对此并不做限定，具体视实际情况而定。
[0052]现有技术中的检测光路只有一束单一的主检测激光。本申请在保留所述主检测激光的基础上，增加了至少四束斜入射的辅助检测激光。增加至少四束辅助检测激光的目的是为了扩大气体检测系统的检测下限。在只有主检测激光以正入射的方式射向气体样品室的情况下，被待测样品散射的部分主检测激光的散射光在从气体样品室出射时会发生全反射，这样就只有部分主检测激光的散射光可以被接收到，这些没有被接收到的散射光中包含了待测样品大量的亚微米颗粒信息。而所述至少四束斜入射的辅助检测激光以斜入射的方式对可以进行检测，这样可以弥补没有被接收到的主检测激光的散射光中包含的待测样品大量的亚微米颗粒信息，从而提升了气体检测系统的检测下限，进而提升了整个气体检测系统的检测精度以及检测数据的可靠性。
[0053]还需要说明的是，本申请实施例提供的多点协同激光模组的傅里叶透镜500为逆向傅里叶变换的结构，采取这种结构可以减小所述多点协同激光模组的等效焦距，进而可以在不替换傅里叶透镜500的情况下有效扩大应用所述多点协同激光模组的气体检测系统的检测下限，提高对细小颗粒的分辨力。同时这种光学结构的等效焦距连续可调且散射光的最大接收角不受傅里叶透镜500 口径的限制。
[0054]在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述控制装置还用于获取所述主检测激光器200及辅助激光器组400的温度，并将其稳定在预设温度范围内。
[0055]需要说明的是，将所述主检测激光器200及辅助激光器组400的温度稳定在预设温度范围内的目的是为激光器的激光芯片提供适宜的工作环境，保证所述主检测激光器200和辅助激光器组400的可靠性。
[0056]还需要说明的是，所述预设温度范围为所述主检测激光器200和辅助激光器组400能够正常工作的温度范围。在本申请的一个实施例中，所述预设温度范围为10°C-50°C，包括端点值。在本申请的一个优选实施例中，所述预设温度范围为20°C_35°C，包括端点值。本申请对此并不做限定，具体视实际情况而定。
[0057]在上述实施例的基础上，在本申请的另一个实施例中，如图2所示，所述控制装置600包括:温度传感器610、处理装置620、制冷器630和驱动电路640;其中，
[0058]所述驱动电路640用于驱动所述主检测激光器200发送主检测激光及驱动所述辅助激光器组400发送至少四束辅助检测激光，并保持所述主检测激光及所述至少四束辅助检测激光的波长稳定；
[0059]所述温度传感器610用于获取所述主检测激光器200及辅助激光器组400的温度信息;
[0060]所述处理装置620用于获取所述温度信息，并根据所述温度信息控制所述制冷器630的工作状态。
[0061]需要说明的是，所述驱动电路640通过对输入到所述主检测激光器200和辅助激光器组400的驱动电流的控制，使所述主检测激光及所述至少四束辅助检测激光的波长稳定在整个气体检测系统需要的范围。
[0062]通过所述温度传感器610对所述主检测激光器200和辅助激光器组400的温度进行实时监控并将温度信息传送给所述处理装置620，所述处理装置620对所述温度信息进行处理后，根据处理结果控制所述制冷器630的工作状态，以将所述主检测激光器200和辅助激光器组400的温度保持在预设温度范围内。
[0063]还需要说明的是，在本申请的一个实施例中，所述处理装置620为单片机。但在本申请的其他实施例中，所述处理装置620还可以为微处理器。本申请对所述处理装置620采用的具体器件类型并不做限定，具体视实际情况而定。
[0064]在本申请的另一个实施例中，所述制冷器630为半导体制冷器，但本申请对所述制冷器630的具体种类并不做限定，具体视实际情况而定。
[0065]在上述实施例的基础上，本申请的一个具体实施例提供了一种准直扩束系统300的具体组成结构，如图3所示，包括:
[0066]设置于所述主检测激光器200与所述出射面之间的扩束镜310;
[0067]设置于所述扩束镜310远离所述主检测激光器200—侧的针孔320;
[0068]设置于所述针孔320远离所述扩束镜310—侧的准直镜330;
[0069]设置于所述准直镜330远离所述针孔320—侧的光阑340。
[0070]需要说明的是，所述针孔320放置的位置为所述扩束镜310的后焦点所在位置，所述准直透镜前焦点与所述扩束镜310的后焦点重合。
[0071]还需要说明的是，设置所述准直扩束系统300的目的是改变主检测光束的直径和减小发散角，同时扩大光斑尺寸，将所述主检测激光器200发送的细光束形式的主检测激光转换为一束光束直径符合要求且光强均匀的准直平行光束。
[0072]空气中的微粒、光学元件表面的灰尘或污渍会导致激光发射散射，并且由于激光具有很强的相干性，这些散射光会与杂散光发生干涉现象，对所述主检测激光造成干扰。因此需要将针孔320设置在扩束镜310的后焦点上滤除杂散光。经过扩束镜310和针孔320后的主检测激光汇聚成一个极小的点，可以被近似为一个点光源并产生球面波。而球面波不适合作为气体样品室的检测光，不符合理想的米氏散射(Mie scattering)模型，因此需要在所述扩束镜310的后焦点处设置一个准直透镜，从而将球面波转换为直径符合要求的平面波，更加接近米氏散射理论的检测模型。所述光阑340的作用是对经过准直透镜的光束进行限制，以获得合适的光斑大小。
[0073]在上述实施例的基础上，在本申请的一个优选实施例中，如图4所示，所述辅助激光器组400包括四个辅助检测激光器，所述四个辅助检测激光器均匀分布于所述傅里叶透镜500四周。
[0074]需要说明的是，在本申请的一个实施例中，所述辅助激光器组400还可以为五个辅助检测激光器或六个辅助检测激光器。本申请对所述辅助激光器组400包括的辅助检测激光器的数量并不做限定，具体视实际情况而定。
[0075]在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述辅助检测激光器为蓝光激光器或红光激光器或绿光激光器。本申请对所述辅助检测激光器的具体种类并不做限定，具体视实际情况而定。但在本申请的一个优选实施例中，所述辅助检测激光器为蓝光激光器。
[0076]需要说明的是，待测样品中颗粒粒径与入射光线的波长决定了散射光的分布范围。在相同的散射角下，光波长越短，对应的粒径越小。因此用短波长的蓝光激光器作为所述辅助检测激光器可以进一步扩大整个气体检测系统的粒径检测下限。
[0077]可以理解的是，也可以采用发送激光波长更短的紫外激光器作为所述辅助检测激光器。但是由于紫外激光器的造价较高，且紫外激光探测较困难等原因，因此蓝光激光器作为所述辅助检测激光器是在目前技术下较为优选的一种做法。
[0078]相应的，本申请实施例还提供了一种气体检测系统，用于检测待测气体，如图5所示，所述系统包括:至少一个如上述任一实施例所述的多点协同激光模组A10、气体样品室A20、探测装置A30和处理系统A40;其中，
[0079]所述气体样品室A20用于存储待测样品；
[0080]所述多点协同激光模组AlO用于向所述气体样品室A20发送主检测激光和至少四束辅助检测激光，所述主检测激光以正入射方式进入所述气体样品室A20，所述至少四束辅助检测激光以不同角度入射所述气体样品室A20;
[0081]所述探测装置A30用于探测通过所述气体样品室A20出射的携带有待测样品信息的主检测激光和至少四束辅助检测激光，并将其传送给所述处理系统A40;
[0082]所述处理系统A40用于根据所述携带有待测样品信息的主检测激光和至少四束辅助检测激光获取所述气体样品室A20中待测样品的待测样品信息。
[0083]需要说明的是，所述待测样品信息包括待测样品中颗粒的粒径大小、粒度分布、粒度浓度等信息。
[0084]在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，如图5所示，所述探测装置A30包括主光电探测器A32和辅助探测器A31;其中，
[0085]所述主光电探测器A32用于探测通过所述气体样品室A20出射的携带有待测样品信息的主检测激光；
[0086]所述辅助探测器A31用于探测通过所述气体样品室A20出射的携带有待测样品信息的至少四条辅助检测激光。
[0087]需要说明的是，由于所述至少四条辅助检测激光的出射角度范围较大，因此所述辅助探测器A31需要具有大角度探测的功能。
[0088]综上所述，本申请实施例公开了一种多点协同激光模组AlO及气体检测系统；其中，所述多点协同激光模组AlO能够以正入射的形式向所述气体样品室A20发送主检测激光，同时能够以斜入射方式向所述气体样品室A20发送至少四条辅助检测激光；由于所述至少四束辅助检测激光的入射方向与所述主检测激光的入射方向均不相同，被待测气体散射后被气体样品室A20全反射的光线所携带的待测样品信息也均不相同，因此在对待测样品进行检测的过程中，通过所述气体样品室A20出射的主检测激光携带的待测样品信息可以被通过所述气体样品室A20出射的至少四条辅助检测激光所携带的待测样品信息所弥补，保证了对待测气体信息探测的全面性，从而有效地扩大了粒径检测的下限，进而提升了整个气体检测系统的检测精度以及检测数据的可靠性。
[0089]并且由于所述封装外壳100的一体化封装，使得所述多点协同激光模组AlO具有良好的稳定性。
[0090]本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0091]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【主权项】
1.一种多点协同激光模组，应用于基于光散射法的气体检测系统，所述检测系统包括气体样品室;其特征在于，所述多点协同激光模组包括: 封装外壳，所述封装外壳包括出射面； 设置于所述封装外壳内部的主检测激光器，用于发送主检测激光； 设置于所述主检测激光器与所述出射面之间的准直扩束系统，用于对所述主检测激光进行准直扩束处理；设置于所述出射面内的傅里叶透镜，用于对经过准直扩束处理后的主检测激光进行逆向傅里叶变换后获得主检测激光，所述主检测激光以正入射的方式进入所述气体样品室；设置于所述出射面内的辅助激光器组，所述辅助激光器组包括至少四个辅助检测激光器，所述至少四个辅助检测激光器设置于所述傅里叶透镜四周，用于以斜入射方式向所述气体样品室发送至少四束辅助检测激光； 设置于所述封装外壳内，与所述主检测激光器及辅助激光器组连接的控制装置，用于驱动所述主检测激光器发送主检测激光和用于驱动所述辅助激光器发送至少四束辅助检测激光。2.根据权利要求1所述的多点协同激光模组，其特征在于，所述控制装置还用于获取所述主检测激光器及辅助激光器组的温度，并将其稳定在预设温度范围内。3.根据权利要求2所述的多点协同激光模组，其特征在于，所述控制装置包括:温度传感器、处理装置、致冷器和驱动电路;其中， 所述驱动电路用于驱动所述主检测激光器发送主检测激光及驱动所述辅助激光器组发送至少四束辅助检测激光，并保持所述主检测激光及所述至少四束辅助检测激光的波长稳定； 所述温度传感器用于获取所述主检测激光器及辅助激光器组的温度信息； 所述处理装置用于获取所述温度信息，并根据所述温度信息控制所述制冷器的工作状??τ O4.根据权利要求3所述的多点协同激光模组，其特征在于，所述处理装置为单片机或微处理器。5.根据权利要求1所述的多点协同激光模组，其特征在于，所述准直扩束系统包括: 设置于所述主检测激光器与所述出射面之间的扩束镜； 设置于所述扩束镜远离所述主检测激光器一侧的针孔； 设置于所述针孔远离所述扩束镜一侧的准直镜； 设置于所述准直镜远离所述针孔一侧的光阑。6.根据权利要求1所述的多点协同激光模组，其特征在于，所述辅助激光器组包括四个辅助检测激光器，所述四个辅助检测激光器均匀分布于所述傅里叶透镜四周。7.根据权利要求1-6任一项所述的多点协同激光模组，其特征在于，所述辅助检测激光器为蓝光激光器或红光激光器或绿光激光器。8.根据权利要求1-6任一项所述的多点协同激光模组，其特征在于，所述主检测激光器为红光激光器。9.一种气体检测系统，用于检测待测气体，其特征在于，所述系统包括:至少一个如权利要求1-8任一项所述的多点协同激光模组、气体样品室、探测装置和处理系统;其中， 所述气体样品室用于存储待测样品； 所述多点协同激光模组用于向所述气体样品室发送主检测激光和至少四束辅助检测激光，所述主检测激光以正入射方式进入所述气体样品室，所述至少四束辅助检测激光以不同角度入射所述气体样品室； 所述探测装置用于探测通过所述气体样品室出射的携带有待测样品信息的主检测激光和至少四束辅助检测激光，并将其传送给所述处理系统； 所述处理系统用于根据所述携带有待测样品信息的主检测激光和至少四束辅助检测激光获取所述气体样品室中待测样品的待测样品信息。10.根据权利要求9所述的气体检测系统，其特征在于，所述探测装置包括主光电探测器和辅助探测器;其中， 所述主光电探测器用于探测通过所述气体样品室出射的携带有待测样品信息的主检测激光； 所述辅助探测器用于探测通过所述气体样品室出射的携带有待测样品信息的至少四条辅助检测激光。
【文档编号】G01N15/06GK105891075SQ201610223803
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月12日
【发明人】王彪, 郭少艾, 房思超, 阮慧
【申请人】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所