基于光谱技术的气体分析装置及方法与流程

本发明涉及光电分析，特别涉及基于光谱技术的气体分析装置及方法。

背景技术：

在气体传感器中，二极管激光器的输出光是高度发散的，因此需要使用准直光学元件，例如准直透镜。而准直透镜的引入会使得激光器与透镜之间产生干涉：激光器发出的垂直入射到透镜后表面的激光会有部分反射回激光器，在激光器的前窗口发生反射，再次垂直入射到透镜后表面，前后两次的出射光会形成一个干涉。在测量气体吸收信号的过程中，干涉形成的条纹将会极大地降低气体检测限，因此需要极力避免或者消除。

传统消除准直透镜和激光器间光学干涉噪声的方法有：

1.透镜镀增透膜，镀增透膜只能一定程度上减小干涉强度，并不能很好地抑制光学噪声，而且镀膜透镜的透过率会随日常擦拭和镜面污染降低；

2.透镜和光轴成一定角度。当透镜轴线和光轴的夹角较小时，光学干涉噪声的抑制能力较差；当透镜和光轴夹角较大时，将存在很严重的像差，光束准直效果差。

技术实现要素：

为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种可抑制干涉噪声的高精度、低成本的基于光谱技术的气体分析装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于光谱技术的气体分析装置，所述气体分析装置包括：

光源，所述光源发出与待测气体匹配的测量光；

探测器，所述探测器将与待测气体发生相互作用后的测量光转换为电信号，并传送到分析模块；

音圈电机，所述探测器固定在所述音圈电机上，在光路上来回移动；

分析模块，所述分析模块利用光谱技术处理所述电信号，从而获知待测气体的信息。

根据上述的气体分析装置，优选地，所述信息为浓度、速度或温度。

根据上述的气体分析装置，可选地，所述光源包括：

发光体，所述发光体固定在支架上；

支架，所述支架用于承载所述发光体，支架形成有适于所述发光体出射光通过的光学通道；

固定件，所述固定件设置在所述支架上，适于所述出射光穿过；

光准直器件，所述光准直器件固定在所述出射光的光路上，适于准直所述出射光；

弹性件，所述弹性件设置在所述光准直器件的沿其轴线方向上的侧部；

压电器件，所述压电器件和弹性件分别设置在所述光准直器件的沿其轴线方向的两侧，所述光准直器件、弹性件和压电器件被约束在所述支架和固定件之间。

根据上述的气体分析装置，优选地，所述支架为套筒，所述套筒为一端具有径向部分的套筒。

根据上述的气体分析装置，优选地，所述光准直器件、弹性件和压电器件处于所述支架或固定件的内侧。

根据上述的气体分析装置，优选地，沿着所述出射光的光路方向上，所述压电器件、光准直器件及弹性件正向或反向依次设置。

根据上述的气体分析装置，可选地，所述光源包括：

发光体，所述发光体固定在支架上；

第一支架，所述第一支架用于承载所述发光体；

光准直器件，所述光准直器件固定在所述发光体的出射光的光路上，准直所述出射光；所述光准直器件的轴线与所述出射光的光轴间的夹角为锐角；

转动件，所述光准直器件固定在所述转动件上；

第二支架，所述转动件可转动地设置在所述第二支架上；

马达，所述马达用于驱动所述转动件及光准直器件转动。

根据上述的气体分析装置，优选地，所述锐角小于30度。

根据上述的气体分析装置，优选地，所述光准直器件为平-凸透镜，所述出射光依次穿过所述透镜的平面和凸面。

根据上述的气体分析装置，优选地，所述发光体是激光器。

根据上述的气体分析装置，优选地，所述测量光与待测气体的特征谱线对应。

本发明的目的还在于提供了一种可有效抑制干涉噪声的基于光谱技术的气体分析方法，该发明目的通过以下技术方案得以实现：

根据上述的气体分析装置的气体分析方法，所述气体分析方法包括以下步骤：

(A1)光源发出与待测气体匹配的测量光；

(A2)测量光与待测气体发生相互作用；

(A3)探测器将与待测气体发生相互作用后的测量光转换为电信号，并传送到分析模块；固定在音圈电机上的探测器来回移动；

(A4)分析模块利用光谱技术处理所述电信号，从而获知待测气体的信息。

根据上述的气体分析方法，可选地，步骤(A1)进一步包括以下步骤：

(B1)发光体发出的出射光穿过光学通道；

(B2)出射光被光准直器件准直；压电器件产生位移，从而推动所述光准直器件来回移动；

(B3)准直后的出射光从固定件射出。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

1.本发明创造性地将探测器固定在音圈电机上，使得探测器往复振动，从而改变光源与探测器之间的距离；由于干涉条纹的间距与干涉距离相关，探测器与光源的距离的改变将打乱干涉条纹；一定时间内接收到的光强如果累积叠加将会使得干涉条纹相互抵消，从而有效地抑制光学干涉噪声；

在发光体出光过程中，利用压电材料(周期性地微米量级地)调整光准直器件和发光体之间的距离，从而消除了干涉带来的光学噪声；

光准直器件表面镀增透膜，进一步降低了光学噪声；

2.发光体的出射光的光轴与光准直器件的轴线的夹角可为零，提高了出射光的准直效果；

3.音圈电机具有高响应、高速度、结构简单、体积小、控制方便等优点，用于气体传感器中能够很好地抑制光源和探测器之间的光学干涉噪声，而不会对系统其他光学器件造成干扰，实现容易成本低。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是根据本发明实施例1的气体分析装置的结构简图；

图2是根据本发明实施例2的光源的结构简图；

图3是根据本发明实施例3的光源的结构简图；

图4是根据本发明实施例4的光源的结构简图。

具体实施方式

图1-4和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例1：

图1示意性地给出了本实施例的基于光谱技术的气体分析装置的结构简图，如图1所示，所述气体分析装置包括：

光源，如半导体激光器，所述光源发出与待测气体匹配的测量光，如测量光的波长与气体的特征谱线对应；

探测器，所述探测器将与待测气体发生相互作用后的测量光转换为电信号，并传送到分析模块；

音圈电机，所述探测器固定在所述音圈电机上，在光路上来回移动，从而调整光源和探测器之间的距离；

分析模块，所述分析模块利用吸收光谱等光谱技术处理所述电信号，从而获知待测气体的信息；分析模块是本领域的现有技术，在此不再赘述。

本实施例的气体分析方法，也即上述的气体分析装置的工作方法，所述气体分析方法包括以下步骤：

(A1)光源发出与待测气体匹配的测量光，如，测量光波长与气体的特征谱线对应；

(A2)测量光与待测气体发生相互作用；

(A3)探测器将与待测气体发生相互作用后的测量光转换为电信号，并传送到分析模块；固定在音圈电机上的探测器来回移动，如探测器沿其轴线方向振动，调整了探测器与光源的间距；由于干涉条纹的间距与干涉距离相关，因此，间距的改变将打乱干涉条纹，一定时间内接收到的光强如果累积叠加将会使得干涉条纹相互抵消，从而有效地抑制光学干涉噪声；

(A4)分析模块利用吸收光谱等光谱技术处理所述电信号，从而获知待测气体的信息。

实施例2：

本实施例的基于光谱技术的气体分析装置的结构简图，所述气体分析装置包括：

光源，图2示意性地给出了本实施例的光源的结构简图，如图2所示，所述光源包括：

发光体2，如用于发射单色光的激光器，所述发光体固定在支架上；

支架1，如圆形套筒，所述支架用于承载所述发光体，支架形成有适于所述发光体出射光通过的光学通道；

固定件6，如一端具有径向部分的圆形套筒，所述固定件设置在所述支架上，适于所述出射光穿过；固定件和支架之间通过螺纹配合，实现可拆卸；

光准直器件4，如凸透镜，所述光准直器件固定在所述出射光的光路上，适于准直所述出射光；

弹性件5，如橡胶件，所述弹性件设置在所述光准直器件的沿其轴线方向上的侧部；

压电器件3，如压电陶瓷，所述压电器件和弹性件分别设置在所述光准直器件的沿其轴线方向的两侧，所述光准直器件、弹性件和压电器件被约束在所述支架和固定件之间，使得当压电器件发生位移时，所述光准直器件随之来回移动，从而不断地调整发光体和光准直器件之间的距离，消除了光源和透镜之间的由于干涉产生的光学噪声；

探测器，所述探测器将与待测气体发生相互作用后的测量光转换为电信号，并传送到分析模块；

音圈电机，所述探测器固定在所述音圈电机上，在光路上沿探测器轴线来回移动(探测器的轴线与测量光光轴重合)，从而调整光源和探测器之间的距离；

分析模块，所述分析模块利用吸收光谱等光谱技术处理所述电信号，从而获知待测气体的信息；分析模块是本领域的现有技术，在此不再赘述。

本实施例的气体分析方法，也即上述的气体分析装置的工作方法，所述气体分析方法包括以下步骤：

(A1)光源发出与待测气体匹配的测量光，如，测量光波长与气体的特征谱线对应，具体为：

(B1)发光体发出的出射光穿过光学通道；

(B2)出射光被光准直器件准直；压电器件产生位移，从而推动所述光准直器件来回移动，从而不断地调整发光体和光准直器件之间的距离，消除了光源和透镜之间的由于干涉产生的光学噪声；

(B3)准直后的出射光从固定件射出，成为测量光；

(A2)测量光与待测气体发生相互作用；

(A3)探测器将与待测气体发生相互作用后的测量光转换为电信号，并传送到分析模块；固定在音圈电机上的探测器来回移动，如探测器沿其轴线方向振动(探测器的轴线与测量光光轴重合)，调整了探测器与光源的间距；由于干涉条纹的间距与干涉距离相关，因此，间距的改变将打乱干涉条纹，一定时间内接收到的光强如果累积叠加将会使得干涉条纹相互抵消，从而有效地抑制光学干涉噪声；

(A4)分析模块利用吸收光谱等光谱技术处理所述电信号，从而获知待测气体的信息。

实施例3：

本实施例的基于光谱技术的气体分析装置的结构简图，与实施例2不同的是：

1.如图3所示，光源包括：

发光体2，用于发射单色光；所述发光体固定在第一支架上；

第一支架21，如圆形套筒、安装板等，所述支架用于承载所述发光体，支架形成有适于所述发光体出射光通过的光学通道；

光准直器件81，如平-凸透镜，所述光准直器件固定在所述发光体的出射光的光路上，准直所述出射光；所述光准直器件的轴线与所述出射光的光轴间的夹角为锐角，如2度、10度、25度等，但不超过30度；

转动件31，所述光准直器件固定在所述转动件上；

第二支架71，所述转动件可转动地设置在所述第二支架上；

马达51，所述马达用于驱动所述转动件及光准直器件转动。

2.分析单元，所述分析单元包括：平均器、计算模块，所述平均器用于平均探测器传送来的电信号携带的光谱数据，计算模块利用光谱分析技术处理平均后的光谱数据，从而获知待测气体的参数，如气体含量、流速等。

本实施例的气体分析方法，也即上述的气体分析装置的工作方法，所述气体分析方法包括以下步骤：

(A1)光源发出的测量光被转动的光准直器件准直，测量光波长与气体的特征谱线对应；

(A2)测量光与待测气体发生相互作用，如被选择性吸收；

(A3)探测器将与待测气体发生相互作用后的测量光转换为电信号，并传送到分析模块；固定在音圈电机上的探测器来回移动，如探测器沿其轴线方向振动(探测器的轴线与测量光光轴重合)，调整了探测器与光源的间距；由于干涉条纹的间距与干涉距离相关，因此，间距的改变将打乱干涉条纹，一定时间内接收到的光强如果累积叠加将会使得干涉条纹相互抵消，从而有效地抑制光学干涉噪声；

(A4)平均器平均所述电信号携带的光谱数据，计算模块利用吸收光谱技术处理平均后的电信号，获知待测气体的浓度等信息。

实施例4：

本实施例的基于光谱技术的气体分析装置的结构简图，与实施例3不同的是：

1.如图4所示，光源包括：

发光体2选用可调谐半导体激光器；

第一支架21采用具有径向部分、轴向部分的圆形套筒，所述发光体固定在所述径向部分的中心；轴向部分的部分22作为第二支架；

转动件31采用轴承，轴承外圈固定在所述第二支架上，也即所述轴向部分的内侧；

固定件41，固定件采用套筒，固定在转动件上，即轴承的内圈上；

光准直器件81采用平-凸透镜，透镜固定在所述固定件内，透镜的轴线与激光器发出的测量光的光轴间夹角为锐角，如5度，透镜镀具有便于所述测量光穿过的增透膜，凸面背对所述激光器；

马达51，如通过电、气、磁、液压等方式驱动的马达，用于驱动所述固定件转动，使得光准直器件旋转，但不发生沿测量光光路方向上的位移。

实施例5：

本实施例的基于光谱技术的气体分析装置的结构简图，与实施例4不同的是：

1.不再使用固定件，光准直器件直接固定在轴承的内圈上，马达直接驱动内圈转动，依靠马达的主动轮利用摩擦力驱动内圈；

2.第二支架单独设置，所述轴承的外圈固定在所述第二支架上；激光器发出的测量光穿过光准直器件，且光轴与光准直器件的轴线间的夹角为锐角，如10度、15度、20度、30度等。

实施例6：

根据本发明实施例2的分析装置及方法在激光气体分析仪中的应用例。

如图2所示，在该应用例中，发光体2选用可调谐半导体激光器；所述支架1采用圆形套筒，临着固定件的一端12的外径较小(与支架的临着发光体的一端的外径相比)，但内径较大(与支架的临着发光体的一端的内径相比)，从而在内部形成环形台阶，且具有外螺纹，临着发光体的一端11的外径较大，但内径较小；所述发光体1固定在支架的外径较大一端的端部；固定件6采用一端具有径向部分62的圆形套筒，该套筒内具有内螺纹，与所述外螺纹匹配；压电器件3采用压电陶瓷，对称地分布在所述环形台阶上，压电器件的线缆穿过支架，压电陶瓷的振幅微米量级，谐振频率可达几百千赫兹；沿着激光器出射光方向上的压电器件的背对台阶的一侧设有光准直器件4，采用平-凸透镜，透镜的轴线与出射光的光轴间夹角为零，透镜镀有便于所述激光器出射光穿过的增透膜，凸面背对所述激光器；弹性件5采用橡胶材质，如O型圈，所述压电器件、光准直器件和弹性件依次排列地处于所述支架的内径较小部分的内侧，处于激光器出射光的光路上；固定件的轴向部分61套在所述支架的外径较小部分的外侧，径向部分62阻挡弹性件，使得在沿着激光器出射光的方向上，压电器件、光准直器件和弹性件被挤压在支架和固定件之间。

上述光源的出光方式为：

(A1)激光器发出的激光穿过支架内的光学通道；

(A2)出射光被平-凸透镜准直；压电陶瓷产生位移，使得平-凸透镜来回平移，不断地调整激光器和透镜之间的距离(但激光的光轴与透镜轴线的夹角仍然为零)，消除了激光器和透镜之间的由于干涉产生的光学噪声

(A3)准直后的出射光从固定件射出。

实施例7：

根据本发明实施例2的分析装置及方法在激光气体分析仪中的应用例，与实施例6不同的是：

1.支架具有临着激光器的内径较小部分、临着固定件的内径较大部分，内径较大部分的内侧具有内螺纹；

与所述支架相匹配的，固定件具有外螺纹；

2.沿着激光器的出射光方向上，弹性件、光准直器件和压电器件依次布置在固定件内侧，并被台阶和固定件挤压，从而当压电器件具有位移时，光准直器件发生来回移动。

上述实施例仅是示例性地给出了发光体是激光器的情形，当然还可以是其他发光体，如LED等。