自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置的制造方法

文档序号:10651922
自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置的制造方法
【专利摘要】一种自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置,它包括壳体以及设置在壳体上方的目视瞄准镜,其特征是还有设置于壳体中的集激光红光束与激光红外探测光束收发于一体的探头,还包括电动伺服云台以及控制箱,壳体设置于电动伺服云台上,探头和电动伺服云台以及控制箱电连接;还包括角反射器,角反射器与探头分别置于探测光程的两端;角反射器与壳体上层腔室中第一离轴抛物面镜出射光束的主光线共轴。
【专利说明】
自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置
技术领域
[0001 ]本方案涉及工业危险泄漏气体在线、现场监测技术领域,尤其涉及一种自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置。【背景技术】
[0002]当前,随着工业的迅猛发展,其中化工、矿产以及油气开采行业等在生产过程中难免产生易燃易爆、有毒的危险性气体,例如甲烷、一氧化碳(C0)等。危险气体一旦泄漏,导致爆炸和中毒,会酿成重大安全事故,造成人员和财产的巨大损失。
[0003]基于开放光路的可调谐半导体激光器吸收光谱技术(TDLAS)是当前广泛应用于工业危险泄漏气体监测的有效手段(如油气开采与化工工业等),该技术将红外激光束通过待测区域并收集探测,利用待测气体对特定波长或波段的吸收效应,通过得到的红外特征光谱可以判断目标待测气体的有无并计算其浓度大小。然而,由于监测区域较大、光程较长 (可达100m)且要求现场实时监测,上述技术手段存在相关光路系统调试对中难度大、光路受环境影响大、装置误报警率高,稳定性及可靠性差等缺陷。例如在油气资源开发行业中的海上油气开采平台上,相关仪器设备难以克服平台不规则振动、海平面大风等环境因素的影响,监测结果可靠性、稳定性差,误报警率高。现有的上述国内外检测装置还难以在复杂环境下得到长期、可靠的使用且安装调试难度大。因此,当前尚缺乏基于TDLAS技术且可以有效克服光路调试对中难度大、稳定性差、误报警率高等缺陷的工业危险泄漏气体现场监测装置。
【发明内容】

[0004]本方案提供一种自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置,为了克服在进行气体现场监测时,装置光路安装调试对中难度大、测量结果稳定性与可靠性差、误报警率高等缺陷,该装置中引入自适应瞄准跟踪系统,并通过合理的光学系统设计,将自适应瞄准用激光红光束收发光学系统与气体探测用激光红外光束收发光学系统整合为一体,实现了装置探头对目标角反射器的自适应瞄准与跟踪并同时获取低损耗的红外探测光束能量, 最终得到高质量的待测气体激光红外吸收光谱。装置有效克服了环境因素对检测结果的影响(如不规则振动、大风等),降低了误报警率,且延长了装置的人工保养周期,有效提升了危险泄漏气体监测的稳定性与可靠性。
[0005]—种自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置,它包括壳体以及设置在壳体上方的目视瞄准镜,设置于壳体中的集激光红光束与激光红外探测光束收发于一体的探头,还包括电动伺服云台以及控制箱,壳体设置于电动伺服云台上,探头和电动伺服云台以及控制箱电连接;还包括角反射器,角反射器与探头分别置于探测光程的两端;角反射器与壳体上层腔室中第一离轴抛物面镜出射光束的主光线共轴。
[0006]本方案的具体特点还有,探头与电动伺服云台控制线缆中的控制线与控制箱内的相应电路模块组件连接。电动伺服云台采用蜗轮蜗杆传动方式,由二轴伺服电机驱动,拥有水平和竖直方向两个自由度。通过对电动伺服云台内伺服电机的控制可以实现云台的水平转动与俯仰转动,从而实现对固定其上的探头的方位调节。
[0007]壳体包括壳体上层腔室与壳体下层腔室。在壳体下层腔室中设置波分复用器、红光指示光源、光纤分束器、参考气室、红外光电探测器以及可调谐半导体激光器。在壳体上层腔室中设置第一离轴抛物面反射镜、第二离轴抛物面反射镜、第三抛物面反射镜、反射光栅、红外光反射镜、红外光电探测器以及四象限光电探测器。红外光电探测器、四象限光电探测器、激光器的控制线缆由探头引出并与控制箱内的相应电路模块组件连接。
[0008]壳体下层腔室中可调谐半导体激光器出射的光束经光纤分束器分为三路,其中一路光能与红光指示光源的出射光经过波分复用器耦合进入同一光纤,并通过FC/APC接头以数值孔径为0.14大小的光束入射进入壳体上层腔室中,FC/APC接头位于第一离轴抛物面反射镜的焦点附近,光束经由壳体上层腔室中的第一离轴抛物面反射镜的反射折转和准直后出射,向着角反射器传播。一路通过参考气室后照射到红外光电探测器的光敏面上并引发光电流信号,该路光电信号作为气体吸收特征谱线识别、气体浓度定量的参考;另一路直接照射到红外光电探测器的光敏面上并引发光电流信号,作为探测光电信号归一化的参考。 由角反射器反射回来的光能入射到壳体上层腔室光路结构中反射光栅的表面。可调谐半导体激光器出射的红外探测光与红光指示光源出射的指示红光经反射光栅被分离;指示红光经过第二抛物面反射镜的反射后聚焦到四象限光电探测器的探测面上并引发光电流信号; 红外探测光经红外探测光反射镜与第三抛物面反射镜的两次反射后聚焦到红外光电探测器的探测面上并引发光电流信号。
[0009]角反射器通光口径为100毫米。第一离轴抛物面反射镜通光口径为19.8毫米,其倾斜放置,其法线方向与探头主光轴方向夹角为45°,其在垂直于探头主光轴的平面上的投影为一直径为14毫米的圆形区域,对反射光栅产生的遮挡小于2.5%。[〇〇1〇]如图2所示,反射光栅中心位于第一离轴抛物面反射镜中心右侧53毫米处,反射光栅的通光孔径为100毫米,其刻痕密度为0.2线/微米,反射光栅以与x轴方向所夹锐角52°的方位放置,反射光栅的光栅刻痕面朝向y轴正方向。
[0011]其中第二抛物面反射镜的通光口径为88.1毫米,其中心位于反射光栅中心x轴负方向10.2毫米、y轴正方向178.8毫米处,焦点位于反射光栅中心x轴正方向104.6毫米、y轴正方向54.4毫米处。
[0012]四象限光电探测器置于红外光束会聚焦点之前,其中心位于第二离轴抛物面反射镜x轴正方向103.2毫米、y轴负方向112.1毫米处,使得指示红光的光斑大小与四象限光电探测器的光敏面大小一致。[〇〇13]红外探测光反射镜的通光口径为41.4毫米,其中心位于反射光栅中心x轴正方向 75.5毫米、y轴正方向217.4毫米,法线方向与x轴正方向夹角101°。第三抛物面反射镜的通光口径为42.5毫米,其中心位于反射光栅中心x轴正方向62.5毫米,y轴负方向45.1毫米处, 焦点位于反射光栅中心x轴正方向92.1毫米、y轴负方向0.3毫米处。
[0014]控制箱内设置有可调谐半导体激光器驱动电路、可调谐半导体激光器温度控制电路、温度传感芯片、压力传感芯片、微控制器、电动伺服云台控制电路、光电探测器数据采集电路以及显示报警模块。电源为整个装置提供电力供应。
[0015]四象限光电探测器将照射到其表面的光能分布情况转化为电信号,经过其内部前置放大电路、滤波电路、二级放大电路以及A/D转换器后将最终所得数字信号发送给微控制器。微控制器对信息进行处理后,首先控制电动伺服云台内二轴伺服电机的动作,以5度/步的精度对探头方位进行粗调节。然后,基于此调节结果,红外光电探测器获取红外探测光并产生成红外光电信号,光电探测器数据采集电路将其转化为微控制器可接收、识别的数字信号并传送给微控制器。微控制器结合爬山算法,以特征吸收峰信噪比、谱线线型等作为目标评价函数,以〇.2度/步的精度对探头进行精细调节,直到目标评价函数达到最大值,即完成对探头的调节,此时所得光谱信号将达到最佳。
[0016]可调谐半导体激光器驱动电路模块在微控制器的控制下输出驱动扫描电流,驱动可调谐半导体激光器输出激光束。可调谐半导体激光器温度控制电路在微控制器的控制下实时感知可调谐半导体激光器的工作温度并输出反馈电流,稳定可调谐半导体激光器的工作温度。温度传感芯片与压力传感芯片实时感知环境温度与压力,并将反馈信号传送到微控制器,用于气体浓度定量计算温度、压力补偿。微控制器通过显示、报警模块将实时测量得到的环境压力、温度以及待测气体浓度进行显示,并在气体浓度超过预定报警值时报警。
[0017]自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体现场监测装置的有益效果是:(1)装置中的自适应反射式探测设备在光程的一端放置角反射器,作为发射光束的反射目标,光程另一端为光束收、发一体的探测探头。装置不但无需无线通讯,易于安装和维护,还使吸收光程扩大1倍,提高了装置的探测灵敏度,气体浓度检出限可达到50ppm;(2)装置中引入自适应控制系统,保证了探头对角反射器的实时跟踪瞄准,可以有效克服现场环境中各种不利因素(如大风、振动等)对装置监测性能的影响,大大提高了装置在恶劣现场环境下的适用性,有利于监测装置在不同工业生产环境下的应用推广;(3)自适应控制系统将传统的光学跟踪瞄准控制方法与光谱分析方法相结合,将跟踪瞄准控制过程分为粗调节与精细调节两个过程。粗调节通过传统的四象限光电探测器的反馈信号对探头的水平转动和俯仰转动进行粗调节;精细调节基于获取的光谱,提取待测气体的特征吸收谱线,将谱线的信噪比、谱线线型等参数作为调节的评价函数。这种控制调节方式通过粗调节实现探头的快速校准,响应时间小于3s,同时充分考虑到探头所获取探测光谱的质量,并通过精细调节使其达到最佳,在对探头进行快速调节的同时,有效避免了所获取光谱数据的失真,保证了气体测量结果的稳定性,测量值的波动低于满量程的5%;(4)探头中集成有红光指示光源,并通过波分复用器与红外探测光束耦合进入同一根光纤,经由离轴抛物面反射镜折转、准直出射。两种波段的光束沿相同的光路传播,且在出射过程中不产生色差,使得指示红光光束的空间传输分布特性可以完全表征红外探测光束的空间传输分布特性。基于此效果,可以采用指示红光作为装置瞄准对中的参考光束,克服红外光束无法被人肉眼识别的缺点。例如,探头上设置有目视瞄准镜,指示红光通过光路另一端的角反射器反射之后被目视瞄准镜接收,操作者通过观察瞄准镜中红光的亮度,可以粗略判断探头与角反射器的对中状态。这种设计方式一方面方便装置设备安装人员在初次装置装调时,完成对探测光路的初步对中安装;另一方面在装置正常使用时,方便维护人员对装置对中状态的检查,提高对装置的维护效率;(5)装置探头光路结构采用反射光栅将红外探测光束与指示红光进行分离,由于反射光栅以一级衍射作为主要分光手段,分光的同时有效减小了信号光能量的损失,使得信号光能的损失低于12dB;(6)上层模块中的离轴抛物面反射镜对光束进行折转的同时还起到了会聚作用,该种设计有效减少了光路中的元器件数量,同时使得光路排布紧凑,充分利用空间,有效减小了结构体积,使得装置探头长小于300毫米,宽小于250毫米,高小于200毫米,探头体积小、质量轻,其在步进电机的控制下可以灵活动作;(7)探头中集成有参考气室、压力传感芯片与温度传感芯片,参考气室中充有一定已知浓度的标准待测气体,装置将参考气室的光谱信号作为对待测气体特征吸收谱线识别和气体浓度计算的参考,同时,压力传感芯片与温度传感芯片实时获取检测现场大气压强与温度,并将其反馈给微控制器,作为气体浓度计算时压力、温度补偿的参考依据。此设置,有效提高了装置对环境变化的适应性,保证了气体浓度计算的准确度。有效保证了气体浓度计算误差低于满量程的5%;(8)装置通过自适应跟踪瞄准系统保证探测光路的对中瞄准,通过参考气室和温度、压力传感芯片消除环境变化对气体计算结果的干扰。装置通过这些手段,将误报警率降低了 30%,有力保证了其现场实时监测的有效性,在一定程度上实现了安装即忘记的低成本维护方式。【附图说明】
[0018]图1为装置自适应反射式光路示意图。图2为装置探头壳体上层腔室俯视示意图。 图中:1-目视瞄准镜;2-壳体;3-壳体上层腔室;4-壳体下层腔室;5-光纤FC/APC接头;6-波分复用器;7-红光指示光源;8-分束器;9-参考气室;10-红外光电探测器;11-可调谐半导体激光器;12-壳体下层腔室信号线缆;13-电动伺服云台控制线缆;14-壳体上层腔室信号线缆;15-电动伺服云台;16-角反射器。其中,光纤FC/APC接头5、波分复用器6、红光指示光源 7、分束器8、参考气室9、红外光电探测器10以及可调谐半导体激光器11位于壳体下层腔室4 中。壳体下层腔室4中的红外探测光与指示红光通过光纤FC/APC接头5入射到壳体上层腔室 3。18-第一离轴抛物面反射镜;19-第一离轴抛物面反射镜固定支架;20-反射光栅;21-第二离轴抛物面镜;22-红外探测光反射镜;23-第三离轴抛物面反射镜;24-红外光电探测器; 25-四象限光电探测器。
[0019]图3为装置控制箱示意图。其中有显示报警模块、电源、光电探测器数据采集电路、 电动伺服云台控制电路、微控制器、激光器驱动电路、激光器温度控制电路、温度传感芯片以及压力传感芯片。
[0020]图4为装置自适应反射式光路初始对中安装粗调节示意图。操作者首先将探头安装固定到电动伺服云台15上,然后在目视瞄准镜1中观察由角反射器反射回来的指示红光并改变壳体2方位,当操作者观察到的红光达到最亮时,固定电动伺服云台15和壳体2方位, 以此作为对壳体2进行自适应调节的起始方位,即完成光路的初始安装调节。
[0021]图5为装置探头自适应控制示意图。其中指示红光信号与红外探测信号经收集、会聚后分别照射到四象限光电探测器与红外光电探测器的光敏面上;两光电探测器产生的光电流信号分别通过前置放大电路、滤波电路、二级放大电路以及A/D转换电路后被转换成数字信号并传送给微控制器;微控制器通过对电动伺服云台内伺服电机的控制可以实现云台的水平转动与俯仰转动,从而实现对固定其支架接口上的探头的方位调节。【具体实施方式】
[0022]如图1?图3所示,一种自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置,它包括:目视瞄准镜1、壳体2、设置于壳体2中的集激光红光束与激光红外探测光束收发于一体的探头、电动伺服云台15以及控制箱。探头安装固定于电动伺服云台15之上。探头与电动伺服云台15控制线缆中的控制线与控制箱内的相应电路模块组件连接。电动伺服云台15采用蜗轮蜗杆传动方式,由二轴伺服电机驱动,拥有水平和竖直方向两个自由度。通过对电动伺服云台15内伺服电机的控制可以实现电动伺服云台15的水平转动与俯仰转动,从而实现对固定其上的壳体2的方位调节。
[0023]如图1所示,自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置还包括角反射器 16,角反射器16与探头分别置于探测光程的两端,两者相距100米。壳体2包括壳体上层腔室 3与壳体下层腔室4。壳体下层腔室4中包括波分复用器6、红光指示光源7、分束器8、参考气室9、红外光电探测器10以及可调谐半导体激光器11。壳体下层腔室4包括第一离轴抛物面反射镜18、第二离轴抛物面反射镜21、第三离轴抛物面反射镜23、反射光栅20、红外光反射镜22、红外光电探测器24以及四象限光电探测器25。
[0024]如图1所示,为了便于探头的初始安装,装置的壳体下层腔室4中集成了红光指示光源7,并通过波分复用器6将其红光光束耦合进入壳体上层腔室3中的光路中。尾纤端面通过光纤FC/APC接头5固定到壳体上层腔室3中。操作者开启控制箱内的装置电源,打开红光指示光源7,红光光束经尾纤端面以0.14的数值孔径出射。如图2所示,光纤FC/APC接头5的尾纤端面置于第一离轴抛物面反射镜18的焦点附近,出射的红光光束经过第一离轴抛物面反射镜18折转、准直后继续向着光程另一端的图1中角反射器16传播。由于光束出射端面与第一离轴抛物面反射镜18的焦点并未完全重合,射向图1中角反射器16的光束将保留有微小的发散角,当指示红光光束到达图1中角反射器16时,其光斑大小与图1中角反射器16口径大小相等。入射光束经图1中角反射器16反射后,以相同的微小发散角出射,反射回来的光束到达探头时,其光斑直径大小大于收发单元口径与图1中目视瞄准镜1 口径之和。此红光光束经图1中角反射器16反射后大部分光能被探头壳体上层腔室3收集,小部分光能进入图1中目视瞄准镜1。
[0025]如图4所示,操作者首先将壳体2安装固定到电动伺服云台15上,然后在目视瞄准镜1中观察由角反射器16反射回来的指示红光并改变探头方位,当操作者观察到的红光达到最亮时,固定电动伺服云台15和壳体2的方位,以此作为对壳体2进行自适应调节的起始方位,即完成光路的初始安装调节。
[0026]如图1所示,操作者开启可调谐半导体激光器11、电动伺服云台15以及控制箱内各电路模块组件。位于壳体下层腔室4中的可调谐半导体激光器11输出的红外探测光束经过其尾纤到达分束器8,并被分成三路。一路直接照射到红外光电探测器上10;—路进入参考气室9; 一路经波分复用器6与红光指示光源7输出的红光光束耦合进入同一根光纤,并经固定在壳体上层腔室3上的FC/APC接头5端面,以0.14的数值孔径出射。如图2所示,与指示红光光束一样,红外探测光经过第一离轴抛物面反射镜18折转、准直后射向光程另一端图1中的角反射器16,到达图1中的角反射器16后反射回来并进入图1中探头的壳体上层腔室3中。
[0027]如图2所示,被图1中的角反射器16反射回来的指示红光光束与红外探测光束照射到反射光栅20表面,由于反射光栅20的分光性质,装置所采用的这两种不同波长的光束被分离开来。指示红光光束射向第二离轴抛物面反射镜21并被准直、会聚后照射到四象限光电探测器25表面,产生光电流信号。红外探测光束先射向红外探测光反射镜22,折转后射向第三离轴抛物面反射镜23,并被准直、会聚后照射到红外光电探测器24表面,产生光电流信号。[〇〇28]如图2所示,反射光栅20中心位于第一离轴抛物面反射镜18中心x轴正方向53毫米处,反射光栅20的通光孔径为100毫米,其刻痕密度为0.2线/微米,反射光栅20以与x轴方向所夹锐角52°的方位放置,反射光栅20的光栅刻痕面朝向y轴正方向。第一离轴抛物面反射镜通光口径为19.8毫米,其倾斜放置,其反射面法线方向与x轴负方向夹角为45°,其在垂直于x轴的平面上的投影为一直径为14毫米的圆形区域,对反射光栅20产生的遮挡小于2.5%。 图1中可调谐半导体激光器11出射的红外探测光与红光指示光源出射的指示红光经反射光栅20被分离,指示红光经过第二抛物面反射镜21的反射后聚焦到四象限光电探测器25的探测面上并引发光电流信号,其中第二抛物面反射镜21的通光口径为88.1毫米,其中心位于反射光栅20中心x轴负方向10.2毫米、y轴正方向178.8毫米处,焦点位于反射光栅20中心x 轴正方向104.6毫米、y轴正方向54.4毫米处。四象限光电探测器25置于红外光束会聚焦点之前,其中心位于第二离轴抛物面反射镜21中心x轴正方向103.2毫米、y轴负方向112.1毫米处,使得指示红光的光斑大小与四象限光电探测器25的光敏面大小一致。红外探测光经红外探测光反射镜22与第三离轴抛物面反射镜23的两次反射后聚焦到红外光电探测器24 的探测面上并引发光电流信号,其中红外探测光反射镜22的通光口径为41.4毫米,其中心位于反射光栅中心x轴正方向75.5毫米、y轴正方向217.4毫米,法线方向与x轴正方向夹角 101°。第三离轴抛物面反射镜23的通光口径为42.5毫米,其中心位于反射光栅20中心x轴正方向62.5毫米,y轴负方向45.1毫米处,焦点位于反射光栅20中心x轴正方向92.1毫米、y轴负方向0.3毫米处。[0〇29]以图2中的坐标轴所表不的方向作为参考方向,并将反射光栅20上主光线入射点作为原点,单位为毫米,第二离轴抛物面反射镜21上主光线入射点的坐标为(-10.2, 178.8),其出射主光线的方向向量可表示为(0.68,-0.73);红外探测光反射镜22上主光线入射点的坐标为(75.5,217.4),其出射主光线的方向向量可表示为(0.05,0.999);第三离轴抛物面反射镜23上主光线入射点的坐标为(62.5,-45.1),其出射主光线的方向向量可表示为(0.55,0.83);四象限光电探测器25中心与红外光电探测器24中心的坐标分别为(93, 66.7)与(92,-0.3),两探测器光敏面法线方向分别与第二离轴抛物面反射镜21和第三离轴抛物面反射镜23出射光束的主光线方向一致。
[0030]图2中红外光电探测器24、四象限光电探测器25、图1中可调谐半导体激光器11的控制线缆由探头引出并与图3中控制箱内的相应电路模块组件连接。[0031 ]若在开放光程中存在待测气体,红外探测光束的部分能量将在光程中被吸收,最终表现出相应的特征吸收峰,并作为气体浓度计算的原始光谱数据。如图1所示,直接照射到红外光电探测器10上的一路光束所产生的光电流信号作为待测气体吸收光谱的归一化参考,用于消除可调谐半导体激光器11输出光能的抖动所带来的影响。通过参考气室9的一路光源所产生的光电流信号作为待测气体浓度计算的参考标准,用于对待测气体的浓度进行精确反演计算。
[0032]如图3所示,控制箱内的压力传感芯片与温度传感芯片实时获取监测现场的大气压强与环境温度,并将测得数据实时传送给微控制器,作为气体浓度计算时压力、温度补偿修正的参考依据。微控制器最终计算得出待测气体浓度,并通过显示、报警模块进行显示。 当待测气体浓度超过预设预警值时,则显示、报警模块将对险情进行及时报警。
[0033]如图5所示,四象限光电探测器将照射到其表面的光能分布情况转化为电信号, 经过其内部前置放大电路、滤波电路、二级放大电路以及A/D转换器后将最终所得数字信号发送给微控制器。微控制器对信息进行处理后,首先控制电动伺服云台内二轴伺服电机的动作,以5度/步的精度对探头方位进行粗调节。然后,基于此调节结果,红外光电探测器获取红外探测光并产生成红外光电信号,光电探测器数据采集电路将其转化为微控制器可接收、识别的数字信号并传送给微控制器。微控制器结合爬山算法,以特征吸收峰信噪比、谱线线型等作为目标评价函数,以〇.2度/步的精度对探头进行精细调节,直到目标评价函数达到最大值,即完成对探头的调节,此时所得光谱信号将达到最佳。[〇〇34]该自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置的原理样机经过长达半年的试验运行表明,该种装置有效克服了监测现场的各种环境因素干扰,实时保持探测光路的对中瞄准,并获取高质量的光谱数据。装置对现场待测气体(如甲烷、乙炔等)浓度计算偏差与波动均低于满量程的5%,误报警率与同类开路式红外激光工业危险泄漏气体监测装置相比,降低了 30%。
【主权项】
1.一种自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置,它包括壳体以及设置在壳 体上方的目视瞄准镜,其特征是还有设置于壳体中的集激光红光束与激光红外探测光束收 发于一体的探头,还包括电动伺服云台以及控制箱,壳体设置于电动伺服云台上,探头和电 动伺服云台以及控制箱电连接;还包括角反射器,角反射器与探头分别置于探测光程的两 端;角反射器与壳体上层腔室中第一离轴抛物面镜出射光束的主光线共轴。2.根据权利要求1所述的自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置,其特征 是壳体包括壳体上层腔室与壳体下层腔室;在壳体下层腔室中设置波分复用器、红光指示 光源、光纤分束器、参考气室、红外光电探测器以及可调谐半导体激光器;在壳体上层腔室 中设置第一离轴抛物面反射镜、第二离轴抛物面反射镜、第三抛物面反射镜、反射光栅、红 外光反射镜、红外光电探测器以及四象限光电探测器;红外光电探测器、四象限光电探测 器、激光器的控制线缆由探头引出并与控制箱内的相应电路模块组件连接。3.根据权利要求2所述的自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置,其特征 是壳体下层腔室中可调谐半导体激光器出射的光束经光纤分束器分为三路,其中一路光能 与红光指示光源的出射光经过波分复用器耦合进入同一光纤,并通过FC/APC接头以数值孔 径为0.14大小的光束入射进入壳体上层腔室中,FC/APC接头位于第一离轴抛物面反射镜的 焦点附近,光束经由壳体上层腔室中的第一离轴抛物面反射镜的反射折转和准直后出射, 向着角反射器传播;另一路通过参考气室后照射到红外光电探测器的光敏面上并引发光电 流信号,该路光电信号作为气体吸收特征谱线识别、气体浓度定量的参考;还有一路直接照 射到红外光电探测器的光敏面上并引发光电流信号,作为探测光电信号归一化的参考;由 角反射器反射回来的光能入射到壳体上层腔室光路结构中反射光栅的表面;可调谐半导体 激光器出射的红外探测光与红光指示光源出射的指示红光经反射光栅被分离;指示红光经 过第二抛物面反射镜的反射后聚焦到四象限光电探测器的探测面上并引发光电流信号;红 外探测光经红外探测光反射镜与第三抛物面反射镜的两次反射后聚焦到红外光电探测器 的探测面上并引发光电流信号。4.根据权利要求1所述的自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置,其特征 是角反射器通光口径为100毫米。5.根据权利要求2所述的自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置,其特征 是第一离轴抛物面反射镜的通光口径为19.8毫米;第一离轴抛物面镜倾斜放置,其反射面 法线方向与探头主光轴方向夹角为45°,其在垂直于探头主光轴的平面上的投影为一直径 为14毫米的圆形区域,对反射光栅产生的遮挡小于2.5%。6.根据权利要求2所述的自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置,其特征 是反射光栅中心位于第一离轴抛物面反射镜中心右侧53毫米处,反射光栅的通光孔径为 100毫米,刻痕密度为0.2线/微米,反射光栅的光栅平面与x轴方向夹角52°放置。7.根据权利要求2所述的自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置,其特征 是其中第二抛物面反射镜的通光口径为88.1毫米,其中心位于反射光栅中心x轴负方向 10.2毫米、y轴正方向178.8毫米处,焦点位于反射光栅中心x轴正方向104.6毫米、y轴正方 向54.4毫米处;第三抛物面反射镜的通光口径为42.5毫米,其中心位于反射光栅中心x轴正 方向62.5毫米,y轴负方向45.1毫米处,焦点位于反射光栅中心x轴正方向92.1毫米、y轴负 方向0.3毫米处。8.根据权利要求2所述的自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置,其特征 是四象限光电探测器置于红外光束会聚焦点之前,其中心位于第二离轴抛物面反射镜x轴 正方向103.2毫米、y轴负方向112.1毫米处,使得指示红光的光斑大小与四象限光电探测器 的光敏面大小一致。9.根据权利要求2所述的自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置,其特征 是红外探测光反射镜的通光口径为41.4毫米,其中心位于反射光栅中心x轴正方向75.5毫 米、y轴正方向217.4毫米,法线方向与x轴正方向夹角101°。
【文档编号】G01N21/39GK106018339SQ201610535412
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】王寅, 魏玉宾, 赵维崧, 张婷婷, 胡杰, 刘统玉
【申请人】山东微感光电子有限公司
再多了解一些
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