一种高温管式炉的激光传感方法及激光传感装置与流程

本发明涉及一种高温炉的激光传感方法及实现该方法的一种高温管式炉激光传感装置，属于激光气体吸收光谱检测设备技术领域。

背景技术：

气体光谱作为一种非接触式的传感技术，在现实中应用相当广泛，它既能检测所需环境下的气体组分和浓度，还可以通过对检测数据分析和算法处理，获得检测空间内的温度场分布。这对一些特殊环境下的空间检测提供了可能。特殊环境如高温、高压、有害气体组分的光谱实验研究是需要高温密闭装置，而高温管式炉就是其中应用最多的一种。

实验室内常见的管式炉装置如安徽贝意克生产的三温区管式炉btf-1700c（1200c），其组成包括三段高温加热装置及其控制系统、载气用刚玉管（石英管）、密闭法兰以及管堵。刚玉管（石英管）由三段式加热装置加热，中空环境也随着热传导将注入气体加热。由于加热装置长度有限，如btf-1700c加热长度为50cm，而整个管长1200cm，所以两端温度递减。温度递减会影响绝对温度下的谱线标定。为减轻递减影响，管内在高温区于变温区中间用管堵隔断。管外套接封闭法兰实现气体空间密闭，法兰上有导气管，气体组分通过它进入管内。为实现激光传感，则需要在法兰中开窗口，在管堵上开孔。发射器和接收器位列两边从而实现系统搭建。

但是管式炉高温的恒温区短，如5btf-1700c只有50cm，不能满足一些需要长光程的实验需要，如模拟现场3m环境，该高温区明显不够长。虽然管堵较好的隔热效果，但是开孔后该效果明显下降。为能够增长光程并减小温度渐变影响，需要开发一种实验装置解决以上问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中的缺陷，提供了一种能够增长恒温区光程、同时降低变温区影响的激光传感方法及适于于该方法的管式炉激光传感装置。

为了达到上述目的，本发明提供了一种高温管式炉的激光传感方法，该激光传感方法通过在高温管式炉的两端分别设置发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜，在高温管式炉的变温区沿轴线方向贯穿设置光学介质，激光信号依次通过发射端角锥棱镜、变温区的光学介质、恒温区、变温区的光学介质、接收端角锥棱镜，然后由接收端角锥棱镜反射后逆着上述路径将激光信号反射回发射端角锥棱镜，由此在发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜之间进行多次反射后由发射端角锥棱镜将激光信号发射给接收端的激光接收装置。

具体的，上述高温管式炉的激光传感方法包括以下步骤：

（1）发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜的对准调节：将发射信号设置为可见光，纵向调节接收端角锥棱镜，使得发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜的光轴差满足可见光信号在发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜之间进行三次反射，同时可见光光斑位置与发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜的中心点同线。

（2）反射调节：此时发射信号使用可见光或设置为激光信号，纵向调节接收端角锥棱镜的位置，逐渐缩小发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜之间的光轴差，根据可见光信号或激光信号的有无变化，调整至可见光信号在发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜之间进行五次或七次反射。

其中高温管式炉的炉管两端通过法兰密闭，法兰上设有激光信号通过的光学窗口和待测量气体通过的导气管，两端导气管分别与高温管式炉的炉管内部相连通。

进一步的，上述光学窗口采用具有0.5°楔角的光学玻璃；所述变温区设置的光学介质呈双面楔角柱状体，楔角为0.5-3°；所述光学窗口安装时倾斜1-3°；相邻的光学窗口和光学介质之间、两个光学介质之间的相邻楔角相对设置。

本发明还提供了一种高温管式炉的激光传感装置，包括接收端法兰、发射端法兰、发射端角锥棱镜、接收端角锥棱镜、激光发射装置和激光接收装置；所述发射端法兰和接收端法兰分别固定在所述高温管式炉的炉管两端，形成密闭的容器；所述高温管式炉炉管的变温区分别沿轴线方向贯穿设有光学介质；所述发射端法兰和接收端法兰上分别密封装配光学窗口和导气管，导气管与炉管内部相连通；所述发射端角锥棱镜固定设于发射端法兰的光学窗口外侧；所述接收端角锥棱镜可移动地设于接收端法兰的光学窗口外侧；所述激光发射装置、激光接收装置分别设于发射端法兰、接收端法兰的光学窗口外侧。

进一步的，发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜的中轴线与激光发射装置发出的激光光轴位于同一平面内；所述发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜的大小相同；当进行检测时，所述发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜中轴线之间具有相对位差l，该相对位差l使得激光发射装置发出的激光信号在发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜之间的反射次数n为3次、5次或7次；所述反射次数n与相对位差l之间的关系式为：

n=2[int(d/2l)+1]+1

式中：d为接收端角锥棱镜或发射端角锥棱镜的直径。

其中，光学窗口采用具有0.5°楔角的光学玻璃，与对应的发射端法兰或接收端法兰呈1-3°倾斜设置，该安装方式能够保证在两片窗口、单片窗口中不产生干涉。

光学介质采用双面楔角柱状体，楔角为0.5-3°；所述光学窗口采用石英或蓝宝石材料；所述光学介质采用蓝宝石棒或石英棒，具体选择时可根据炉体加热温度确定，如温度大于1200℃选用蓝宝石棒，小于1200℃选用石英棒。光导介质采用楔角的目的是为了消除光导中的干涉影响，对每根光导介质两端截面都相对设置楔角。楔角越小，激光在传播中折射偏离越小，装调时操作越方便。当楔角大于3°后，容易使来回反射的激光偏离出光导或光学窗口。光导介质材料应足够纯净，不纯净的材料会使传导的激光发散角增大，给检测结果带来干扰。

相邻的光学窗口和光学介质之间、两个光学介质之间的相邻楔角相对设置。光学窗口的楔角光学玻璃、光导介质的楔角柱状体同轴设置，其沿轴楔角各端面与角锥棱镜不平行，且各相邻端面也不平行。该安装方法以确保了每个面都不会产生干涉条件。

进一步的，光学介质和光学窗口同轴设置，且光学介质与光学窗口的截面大小相适配；所述光学窗口的尺寸大于所述发射端角锥棱镜的直径与激光光斑尺寸之和。

本发明激光传感装置还包括可移动机械装置；所述接收端角锥棱镜通过所述可移动机械装置设于所述接收端法兰的光学窗口外侧；所述光学介质通过若干氧化铝陶瓷卡键固定设于炉管内。

其中，可移动机械装置选用的大恒光电燕尾式位移组件调节装置，所述的位移组件为两个燕尾平移台正交安装组成，并用一个l型固定件固定在接收端的法兰上，可移动机械装置实现对接收端角锥棱镜沿纵向和横向的位移调节。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1）本发明在炉管变温区中设置了光导介质，使得检测的激光信号在变温区的路径都在光导介质中，由于光导介质隔离了气体，因此对信号光而言等效于传播于真空中，降低了变温区的影响；

2）本发明搭建了一个基于双角锥棱镜的多次反射系统，增长恒温区光程，有效地提升了高温区气体长度；

3）本发明采用楔角光学玻璃、双面楔角柱状体的光导介质，并且安装和设置各楔角端面不与角锥棱镜平行，各相邻端面也不平行，有效减少激光信号的干扰影响。

4）本发明设置的激光光轴、两个角锥棱镜中轴线设置在同一平面上，便利于激光接收装置对激光信号有效接收，如果不在同一平面上，信号跳动较大，不利于对激光信号接收的调节；

5）本发明接收端使用的角锥棱镜为可移动设置是由可移动机械装置实现的，该可移动机械装置设有平行于光学窗口做横向和纵向位移的机构，十分有利于设备的精准调校。

总之，本发明提供的方法和装置，解决了高温环境下气体吸收光谱检测中恒温区过短，变温区干扰影响较大的问题，本装置通过光导介质，能够使激光在整个气体空间中只经过恒温区，避免了激光在低温气体区域对实验标定造成的影响，从而提高了计算精度。具有结构简单，易于调节，检测精度高等特点。

附图说明

图1为本发明用于高温管式炉的激光传感装置的结构示意图；

图2为图1中光学窗口和光导介质的楔角示意图；

图3为本发明双角锥棱镜系统原理示意图；

图4为图3中激光光轴和两个角锥棱镜中心轴同一平面时两角锥棱镜光斑示意图；

图5为图3中激光光轴和两个角锥棱镜中心轴不在同一平面时，两种激光入射位的两个角锥棱镜光斑示意图；

图中，h表示激光光斑中心到可移动端角锥棱镜下边沿的距离，d表示角锥棱镜直径，l表示两个角锥棱镜之间的光轴差；

1-管式炉炉管，2-角锥棱镜ⅰ，3-角锥棱镜ⅱ，4-蓝宝石棒，5-氧化铝陶瓷卡键，6-激光发射装置，7-激光接收装置，8-法兰，9-导气管，10-恒温区，11-光学窗口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

图1所示，提供了一种高温管式炉的激光传感装置，包括管式炉炉管1、角锥棱镜ⅰ2、角锥棱镜ⅱ3、蓝宝石棒4、激光发射装置6，激光接收装置7、法兰8；其中：管式炉炉管1与两端设置法兰8构成密闭的容器，该密闭的高温炉管加热时，中段为炉管的恒温区10，恒温区10边缘至法兰处为变温区；两端法兰8均设有光学窗口11、导气管9，光学窗口11由光学玻璃11固定密封装配在法兰8上，导气管9通过法兰8与炉管1内相通，本装置的测量气体是从导气管9入射到炉管，从另一端导气管排出，当需要增压时，需要将另一端堵住；在炉管1两端的变温区中固定设置有蓝宝石棒4，蓝宝石棒4由若干氧化铝陶瓷卡键5固定在炉管1内，若炉管1总长1m，恒温区10总长50cm，则单根蓝宝石棒4应为25cm，蓝宝石棒4截面直径应等于光学窗口11的直径；角锥棱镜ⅰ2、角锥棱镜ⅱ3相对且平行的设置在两端法兰的光学窗口外侧，其中：角锥棱镜ⅰ2固定设置，由固定件设置在一端法兰上，该固定件为l型固定件；角锥棱镜ⅱ3为可移动设置，由可移动机械装置固定设置在另一端法兰上，该可移动机械装置设有平行于光学窗口做横向和纵向位移的机构；激光发射装置6、激光接收装置7，分别设置在两端法兰光学窗口外侧，其中激光发射装置6与固定设置角锥棱镜ⅰ同侧，激光接收装置7与可移动设置角锥棱镜ⅱ同侧，本装置中激光发射装置6使用throlabsrc04apc-p01准直器作为激光发射装置；本装置的可移动机械装置具体采用的大恒光电燕尾式位移组件调节装置，实现对角锥棱镜ⅱ3的纵向和横向位移的调节，位移组件通过两个型号为gcm-120201am的燕尾平移台正交安装组成，并用一个l型固定件固定在法兰上。

图2进一步介绍光学窗口11和蓝宝石棒4的楔角示意，如图示：光学窗口为0.5°角度的楔角光学玻璃，材料选用石英或蓝宝石，安装时光学窗口11倾斜1°-3°；蓝宝石棒4均为双面楔角柱状体，材料为蓝宝石棒或石英棒，楔角为0.5°-3°。并且要求，设置的光学窗口11、蓝宝石棒4，其沿轴楔角各端面与角锥棱镜不平行，且各相邻端面也不平行。在具体应用中，光学窗口11是否镀膜根据使用条件确定，如通入水蒸气需要保证环境温度大于100摄氏度，膜系满足该要求可以使用，镀膜的光学窗口11能够很好的降低干涉现象。

本发明采用角锥棱镜ⅰ2、角锥棱镜ⅱ3大小相同，其直径加上激光光斑尺寸之和应小于光学窗口11尺寸，根据本装置，如设计的角锥棱镜直径25mm，激光发射装置准直的光斑直径4mm，与之对应地，则法兰8最小开孔30mm作为光学窗口11装配尺寸，为装调方便，应开孔35mm。并且，角锥棱镜ⅰ2、角锥棱镜ⅱ3中轴线工作时形成相对位差l（位差的最小分量值lmin应等于光斑直径），激光光轴、两个角锥棱镜中轴线应设置在同一平面上。

根据上述装置，实现了一种高温管式炉的激光传感方法，具体为：由激光发射装置6发射激光信号，激光信号依次透过：发射端的光学窗口11、发射端变温区蓝宝石棒4，管式炉恒温区10，接收端变温区蓝宝石棒4、接收端的光学窗口11；然后接收端角锥棱镜ⅱ3；接收端角锥棱镜ⅱ3反射该激光，逆上述顺序将激光反射给发射端角锥棱镜ⅰ2；激光信号往返数次于两角锥棱镜之间，最后由发射端角锥棱镜ⅰ2将激光反射给接收端的激光接收装置7。即本方案充分利用双角锥棱镜系统原理，如图3所示。

根据本发明的技术方案，激光传感反射的次数由以下参数可以确定，包括角锥棱镜d=25mm、光斑直径4mm、角锥棱镜ⅰ2、角锥棱镜ⅱ3中轴线工作时形成相对位差l，l值越大反射次数越少，l值越小反射次数越多，本装置l的最小分量值lmin应等于光斑直径4mm，因此，本装置最大调节反射次数由以下公式表示：

nmax=2[int(d/2lmin)+1]+1

通过调节位差l，取值在3次至nmax，根据公式可得nmax最大应为9次。由于激光发射装置6与激光接收装置7不在同侧，因此，取值应为3、5、7、9。

根据本发明要求优化方案，所述激光光轴、两个角锥棱镜中轴线设置在同一截面平面上，所检测的激光光程的路径规则可循，根据每个光束进入角锥棱镜，其返回的光线总是根据角锥棱镜光轴中心对称，图4为本发明投射到角锥棱镜ⅰ2、角锥棱镜ⅱ3光斑示意图。在实际应用中，如果激光光轴、两个角锥棱镜中轴线设置不在同一截面平面上，就会出现图5所示的光路轨迹跳跃和偏离问题，如图5a，为反射八次发射情形的光斑示意，i点为收端角锥棱镜ⅱ3接收的激光入射点，o点为第八次由接收端角锥棱镜ⅱ3反射的最终输出点；图5b，为反射九次发射情形的光斑示意，同样，i点为收端角锥棱镜ⅱ3接收的激光入射点，该图o点为第九次反射由发射端角锥棱镜ⅰ2最终输出点，该输出激光信号，通过信号激光接收装置7配置的可移动机械装置调校是可以接收到的。根据图5的情形，如果偏离越大，装置调校将越加困难。

在实际使用本装置时，由于窗口和光学端面比较多，光束折射多次，我们可以采用以下步骤调校：首先，使用激光发射装置6设置的可见光辅助对准，具体为：采用绿色光，通过调节角锥棱镜ⅱ3的纵向位移，使其和角锥棱镜ⅰ2的光轴差l满足的三次反射，并要求绿光光斑中心点位置应该与两个角锥棱镜中心点同线，否则应检查发射装置的位置，在确认绿光光斑中心点位置与两个角锥棱镜中心点同线后，此时，所有光斑在截面上都在同一直线上，观测绿光确定三次反射，且调试输出光线投射到激光接收装置7；其次，采用激光信号进行反射次数调节，即采用测试激光信号进行调校，获取较合理的反射次数作为本装置的应用时反射次数，具体为：将激光发射装置6的发射信号切换激光信号，进一步地，调节角锥棱镜ⅱ3沿纵向位移逐步减小光轴差l，此时激光接收装置7进一步地，调节角锥棱镜ⅱ3沿纵向位移逐步减小光轴差l，此时捕捉的信号消失又出现，以此类推，即“有→无→有→无→有→无→有”，其中“有”对应代表3、5、7、9次的反射激光信号，9次是本装置理论极限次数，因本装置激光信号系统衰减较大，如光束的衰减，还要考虑到激光的发散角等因素，有效识别可捕捉到激光信号为第7次，按本装置反射次数为7，就可拓展的恒温区10光程为3.5m。本案例中激光发射装置6使用throlabsrc04apc-p01准直器作为，经过试验验证经过装置后最高的反射次数为7，没有干涉现象，激光接收装置7接收的可以有效识别接收激光信号，但递增第9次时，就存在严重干涉现象，激光接收装置7仅能接收到微弱信号。