一种双光路粉尘浓度测量装置的制作方法

本实用新型涉及粉尘浓度测量领域，尤其涉及一种双光路粉尘浓度测量装置。

背景技术：

粉尘浓度的测量方法主要包括光学分析法与非光学分析法，非光学分析法由于检测设备响应速度慢、处理复杂，难以对粉尘浓度进行实时监测。例如现有的化学反应式粉尘浓度传感器，需要对空气粉尘进行采集处理，具有测量时延差，无法进行实时测量。而电式粉尘浓度测量装置安全性较差，当矿井粉尘浓度过高时，轻微的电火花会引发矿井爆炸的风险。

基于光学分析的粉尘浓度测量技术具有探测灵敏度高、选择性强、响应速度快等特点，适合现场实时监测，且成本较低，是以后粉尘浓度测量的理想方法。但是现有的手持粉尘浓度测量装置必须要求操作人员在现场进行测量，而在类似于煤矿矿井等粉尘浓度偏高的环境中，操作人员在测量时必须做好防尘措施，不然会损伤呼吸道，影响健康。另外，由于测量仪器位于高粉尘区域，长时间使用后仪器表面或仪器内必定粉尘沉积，会影响测量精度。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种双光路粉尘浓度测量装置，利用光纤实现了光信号的远距离传输，通过双光路测量和差分计算的方法将测量误差消除，不仅实现了远程测量，还提高了测量精度。

本实用新型提供的一种双光路粉尘浓度测量装置，包括光源部分、激光传输部分、测量部分、信号转换部分，光源部分发射激光，并由激光传输部分将激光传输至测量部分，激光在测量部分完成测量后传输回激光传输部分，激光传输部分将测量后的激光传输至信号转换部分，信号转换部分将光信号转化为电信号，其中测量部分包括第一测量区、第二测量区，第一测量区、第二测量区均与激光传输部分连接；光源部分产生两束激光，分别对第一测量区与第二测量区进行测量；激光传输部分包括第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器、第四定向耦合器；第一定向耦合器与第三定向耦合器通过光纤连接，第二定向耦合器与第四定向耦合器通过光纤连接，第三定向耦合器与第一测量区连接，第四定向耦合器与第二测量区连接；激光经第一定向耦合器、第三定向耦合器依次传输到第一测量区进行测量；激光经第二定向耦合器、第四定向耦合器依次传输到第二测量区进行测量；第三定向耦合器与第四定向耦合器位于测量现场，第一定向耦合器与第二定向耦合器远离测量现场。

进一步的，第一测量区包括第一发射端、第一衰减区与第一接收端，第二测量区包括第二发射端、第二衰减区与第二接收端，其中第一衰减区位于第一发射端与第一接收端之间，第二衰减区位于第二发射端与第二接收端之间，第一衰减区与第二衰减区内为含有粉尘的待测气体；激光在第一衰减区内的光程小于激光在第二衰减区内的光程；测量部分位于测量现场，光源部分与信号转换部分远离测量部分。

进一步的，光源部分包括激光器与分束器，其中激光器发射激光并将激光输送至分束器，分束器将激光分为第一光路与第二光路；第一光路输送至第一定向耦合器，并经第三定向耦合器输送至第一测量区进行测量；第二光路输送至第二定向耦合器，并经第四定向耦合器输送至第二测量区进行测量。

进一步的，第一发射端包括第一准直器，第一接收端包括第一反向准直器，第二发射端包括第二准直器，第二接收端包括第二反向准直器，其中第一准直器和第一反向准直器均与第三定向耦合器连接，第二准直器和第二反向准直器均与第四定向耦合器连接；第一光路经第一准直器扩束后进入第一衰减区，第一光路通过第一衰减区的衰减后照射入第一反向准直器，第一光路由第一反向准直器缩束以后传输至第三定向耦合器；第二光路经第二准直器扩束后进入第二衰减区，第二光路通过第二衰减区的衰减后照射入第二反向准直器，第二光路由第二反向准直器缩束以后传输至第四定向耦合器。

进一步的，信号转换部分包括第一光电探测器与第二光电探测器，其中：第一定向耦合器与第一光电探测器连接，第二定向耦合器与第二光电探测器连接；完成测量后的第一光路从第三定向耦合器输出，通过光纤传输至第一定向耦合器，再经第一定向耦合器传输至第一光电探测器；完成测量后的第二光路从第四定向耦合器输出，通过光纤传输至第二定向耦合器，再经第二定向耦合器传输至第二光电探测器。

进一步的，信号转换部分还包括第一扩束器与第二扩束器，其中第一扩束器安装在第一定向耦合器与第一光电探测器之间，第二扩束器安装在第二定向耦合器与第二光电探测器之间；完成测量后的第一光路从第一定向耦合器传出后经第一扩束器扩束，再传输至第一光电探测器；完成测量后的第二光路从第二定向耦合器传出后经第二扩束器扩束，再传输至第二光电探测器。

进一步的，光源部分还包括耦合器，耦合器位于激光器与分束器之间，耦合器将激光器发出的激光进行耦合后发送至分束器。

进一步的，双光路粉尘浓度测量装置还包括数据处理部分，其中数据处理部分与信号转换部分连接，信号转换部分将电信号发送至数据处理部分进行处理。

本实用新型的一种双光路粉尘浓度测量装置，具有以下有益效果：

1、测量部分为纯光学结构，放置于测量现场非常安全；

2、利用光纤远距离传输光信号，实现远程测量粉尘浓度；

3、激光器发射的激光通过分束器分为两束后经激光传输部分传输至第一测量区与第二测量区，实现双光路测量，利用差分运算消除激光在光学器件中传播的损耗和粉尘积落对测量产生的误差，提高测量精度；

4、设置准直器将激光进行扩束，增加激光在测量区域的截面积，使宽束激光在衰减区的衰减作用更加明显；

5、设置第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器、第四定向耦合器，实现激光的定向传播，使激光能够在光纤中双向传输，节省了激光远程传输的成本；

6、测量过程以光速进行，不存在延时问题，可达到实时测量效果。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型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的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本实用新型的双光路粉尘浓度测量装置第一个实施例的组成图；

图2为本实用新型的双光路粉尘浓度测量装置第二个实施例中测量部分的组成图；

图3为本实用新型的双光路粉尘浓度测量装置第三个实施例的结构图；

图中：1-光源部分、2-激光传输部分、3-测量部分、4-信号转换部分、5-第一测量区、6-第二测量区、7-第一定向耦合器、8-第二定向耦合器、9-第三定向耦合器、10-第四定向耦合器、11-第一发射端、12-第一衰减区、13-第一接收端、14-第二发射端、15-第二衰减区、16-第二接收端、17-激光器、18-分束器、19-第一光路、20-第二光路、21-第一准直器、22-第一反向准直器、23-第二准直器、24-第二反向准直器、25-第一光电探测器、26-第二光电探测器、27-第一扩束器、28-第二扩束器、29-耦合器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实施例的一种双光路粉尘浓度测量装置，包括光源部分1、激光传输部分2、测量部分3、信号转换部分4，光源部分1发射激光，并通过激光传输部分2将激光传输至测量部分3，激光在测量部分3完成测量后传输回激光传输部分2，激光传输部分2将测量后的激光传输至信号转换部分4，信号转换部分4将光信号转化为电信号，测量部分3位于测量现场，光源部分1与信号转换部分4远离测量现场。

测量部分3包括第一测量区5与第二测量区6，第一测量区5和第二测量区6均与激光传输部分2连接，光源部分1产生两束激光，通过激光传输部分2传输至测量部分3后，分别对第一测量区5与第二测量区6进行测量，实现本方案中对粉尘浓度的双光路测量。

激光传输部分2包括第一定向耦合器7、第二定向耦合器8、第三定向耦合器9、第四定向耦合器10。第一定向耦合器7与第三定向耦合器9通过光纤连接，第二定向耦合器8与第四定向耦合器10通过光纤连接，光纤在第一定向耦合器7与第三定向耦合器9之间、第二定向耦合器8与第四定向耦合器10之间的连接方式本实施例不做具体限定，优选的，为保证激光传输的完整性，采用法兰固定连接。第三定向耦合器9与第一测量区5连接，第四定向耦合器10与第二测量区6连接。光源部分1发出的激光依次经第一定向耦合器7、第三定向耦合器9传输到第一测量区5进行测量，依次经第二定向耦合器8、第四定向耦合器10传输到第二测量区6进行测量。第三定向耦合器9与第四定向耦合器10位于测量现场，第一定向耦合器7与第二定向耦合器8远离测量现场，其间连接的光纤实现远距离的激光信号传播。

具体的如图2所示，为本实用新型的第二个实施例，在第一个实施例的基础上，第一测量区5包括第一发射端11、第一衰减区12与第一接收端13，第二测量区6包括第二发射端14、第二衰减区15与第二接收端16。第一衰减区12位于第一发射端11与第一接收端13之间，第二衰减区15位于第二发射端14与第二接收端16之间，第一衰减区12与第二衰减区15内为含有粉尘的待测气体；激光在第一衰减区12内的光程小于激光在第二衰减区15内的光程。优选的，第一测量区5还包括第一连接杆，第二测量区6还包括第二连接杆，第一连接杆将第一发射端11与第一接收端13固定连接，第二连接杆将第二发射端14与第二接收端16固定连接，使第一衰减区12与第二衰减区15的距离保持固定。

具体的如图3所示，为本实用新型第三个实施例，在上一个实施例的基础上，光源部分1包括激光器17与分束器18，激光器17发射激光并将激光输送至分束器18，激光器17的规格本实施例不做具体限定，分束器18可将一束激光分为两束或者多束，目前有1×N和2×N两种类型，本实施例选用1×2的分束器18将激光分为第一光路19与第二光路20，第一光路19输送至第一定向耦合器7后，通过光纤传输至第三定向耦合器9，再经第三定向耦合器9输送至第一测量区5进行测量，第二光路20输送至第二定向耦合器8后，通过光纤传输至第四定向耦合器10，再经第四定向耦合器10输送至第二测量区6进行测量。为减小测量误差，选用分光较均匀的分束器18，使第一光路19与第二光路20的光强度更加均等。第一光路19进入第一测量区5后，首先通过第一发射端11，由第一发射端11射出后进入第一衰减区12，第一光路19通过第一衰减区12中含有粉尘的待测气体对其的衰减作用后进入第一接收端13；第二光路20进入第二测量区6后，首先通过第二发射端14，由第二发射端14射出后进入第二衰减区15，第二光路20通过第二衰减区15中含有粉尘的待测气体对其的衰减作用后进入第二接收端16；由于激光在第一衰减区12的光程小于激光在第二衰减区15的光程，所以第一光路19在第一衰减区12的衰减量也小于第二光路20在第二衰减区15的衰减量。优选的，为降低测量误差，将第一发射端11与第二发射端14设置为相同结构，第一接收端13与第二接收端16设置为相同的结构。

具体的，第一发射端11包括第一准直器21，第一接收端13包括第一反向准直器22，第二发射端14包括第二准直器23，第二接收端16包括第二反向准直器24，第一准直器21、第二准直器23、第一反向准直器22和第二反向准直器24的参数规格本实用新型不做具体限定，可根据使用环境另行配置，优选的，第一准直器21与第二准直器23完全相同，第一反向准直器22与第二反向准直器24完全相同。第一准直器21和第一反向准直器22均与第三定向耦合器9连接，第三定向耦合器9将从第一定向耦合器7传输过来的第一光路19传输至第一准直器21，由于激光在光纤中传输时光束较细，第一光路19通过第一准直器21扩束后传输至第一衰减区12进行衰减，衰减后的第一光路19进入第一反向准直器22，第一反向准直器22将衰减后的宽束激光进行缩束，缩束后的第一光路19传输回至第三定向耦合器9，并依次通过第三定向耦合器9、第一定向耦合器7后，传输至信号转换部分4，信号转换部分4将光信号转化为电信号；同理，第二准直器23和第二反向准直器24均与第四定向耦合器10连接，第四定向耦合器10将从第二定向耦合器8传输过来的第二光路20传输至第二准直器23，第二光路20通过第二准直器23扩束后传输至第二衰减区15进行衰减，衰减后的第二光路20进入第二反向准直器24，第二反向准直器24将衰减后的宽束激光进行缩束，缩束后的第二光路20传输回至第四定向耦合器10，并依次通过第四定向耦合器10、第二定向耦合器8后，传输至信号转换部分4，信号转换部分4将光信号转化为电信号。通过设置的第一定向耦合器7、第二定向耦合器8、第三定向耦合器9和第四定向耦合器10，实现第一光路19与第二光路20的定向传播，使光纤能够双向传输激光，有效地节省了远距离传输激光的成本。

优选的，第一准直器21与第一反向准直器22的几何光轴所在的直线与第一光路19在第一准直器21与第一反向准直器22之间的传播路径相重合，第二准直器23与第二反向准直器24的几何光轴所在的直线与第二光路20在第二准直器23与第二反向准直器24之间的传播路径相重合，可使第一光路19与第二光路20的激光能够最大限度地传播，尽可能的减少激光在传输元件中的损耗，以提高粉尘浓度测量的精度。更优选的，在第一准直器21与第二准直器23外部分别设置密封性较强的保护壳，并在保护壳上安装用于激光传输的平透镜，由于第一准直器21与第二准直器23直接暴露在粉尘环境中，其对激光的调整效果会因为表面积落的粉尘而深受影响，所以将第一准直器21与第二准直器23分别放置在保护壳中会有效避免粉尘积落对激光调整的影响，设置保护壳与平透镜之后，第一光路19与第二光路20分别经过第一准直器21与第二准直器23的扩束后，穿过平透镜进入第一衰减区12、第二衰减区15；同样，在第一反向准直器22与第二反向准直器24的外部也分别设置密封性较强的保护壳，并在保护壳上安装激光传输的平透镜，衰减后的第一光路19先通过平透镜再照射入第一反向准直器22进行缩束聚焦，衰减后的第二光路20先通过平透镜再照射入第二反向准直器24进行缩束聚焦。整个测量部分3为纯光学装置，安装在矿井或者易发生事故的测量环境中非常安全。

具体的，信号转换部分4包括第一光电探测器25与第二光电探测器26，其中第一定向耦合器7与第一光电探测器25连接，第二定向耦合器8与第二光电探测器26连接；完成测量后的第一光路19从第三定向耦合器9输出，通过光纤传输至第一定向耦合器7，再经第一定向耦合器7传输至第一光电探测器25，第一光电探测器25将接收到的光信号转化为电信号；完成测量后的第二光路20从第四定向耦合器10输出，通过光纤传输至第二定向耦合器8，再经第二定向耦合器8传输至第二光电探测器26，第二光电探测器26将接收到的光信号转化为电信号。

具体的，信号转换部分4还包括第一扩束器27与第二扩束器28，第一扩束器27安装在第一定向耦合器7与第一光电探测器25之间，第二扩束器28安装在第二定向耦合器8与第二光电探测器26之间；完成测量后的第一光路19从第一定向耦合器7传出后经第一扩束器27扩束，再传输至第一光电探测器25；完成测量后的第二光路20从第二定向耦合器8传出后经第二扩束器28扩束，再传输至第二光电探测器26。进入第一光电探测器25与第二光电探测器26的激光通过第一扩束器27与第二扩束器28的扩束作用，将较为聚集的细光变为宽束平行光，使第一光电探测器25与第二光电探测器26能够更有效地进行光电转换输出。

具体的，光源部分1还包括耦合器29，耦合器29安装在激光器17与分束器18之间，激光器17发射的激光为平行光，经过耦合器29耦合后，变成较为聚集的激光并传输至分束器18，分束器18将激光分束，分别传输至第一定向耦合器7与第二定向耦合器8后再通过其他部件的传输，最终完成粉尘浓度的测量。

具体的，本实施例还包括数据处理部分，其中数据处理部分与信号转换部分4连接，信号转换部分4将光信号转化为电信号后发送至数据处理部分进行数据运算与处理。数据处理部分通过信号转换部分4输送的电信号进行计算，最终得出激光的衰减系数，进而得出待测气体的粉尘浓度。

本实施例通过两路光对待测气体分别进行测量，并根据测量数据计算激光的衰减系数，由于衰减系数与待测气体的粉尘浓度有一定的比例关系，便可根据一定的比例关系计算出待测气体的粉尘浓度。本实施例的双光路粉尘浓度测量装置其测量过程及激光衰减系数的具体算法如下：

激光器17输出的激光经过耦合器耦合后进入分束器18，再经分束器18分成第一光路19与第二光路20进行传递，第一光路19通过第一定向耦合器7、光纤、第三定向耦合器9后进入第一测量区5，先通过第一准直器21扩束，设定从第一准直器21射出的激光光强为I,第二光路20通过第二定向耦合器8、光纤、第四定向耦合器10后进入第二测量区6，先通过第二准直器23扩束，设定从第二准直器23射出的激光光强为I′,第一光路19经过第一衰减区12衰减后照射入第一反向准直器22的光强为I₁，第二光路20经过第二衰减区15衰减后照射入第二反向准直器24的光强为I₂，第一准直器21与第一反向准直器22的距离为l₁,第二准直器23与第二反向准直器24的距离为l₂,设定衰减系数为α，则由于第一光路19与第二光路20通过分束器18平均分为两束光，且第一准直器21与第二准直器23完全相同，所以I＝I′,故计算得α＝ln(I₂/I₁)/(l₁-l₂)。在距离l₁与l₂为固定值时，通过测量进入第一反向准直器22与第二反向准直器24的光强I₁与I₂，便可计算得出待测气体对激光的衰减系数α。由于一定的粉尘浓度对应着一定的激光衰减系数，而在实际应用中，可通过标准试验方法确定出粉尘浓度与激光衰减系数之间的对应关系，在测量中便可根据实验值算出粉尘浓度。

整个双光路粉尘浓度测量装置，通过光纤实现远距离光信号的传输，实现远程测量，运用分束器将一束激光平均分为两束，将两束光分别射入路径长度不等的同一待测环境中进行测量，两束光经衰减后，通过激光传输部分将激光返回并传输至信号转换部分，信号转换部分将光信号转换为电信号，并将电信号传输至数据处理部分进行计算，最终得出待测气体的粉尘浓度。由于本方案中除第一衰减区与第二衰减区的光程不相等以外，其他测量环境完全相同，所以在后续的差分计算中，可将两个光路上所有的误差做差消除，实现仅对差分路径上粉尘浓度的测量。

以上借助具体实施例对本实用新型做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本实用新型的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本实用新型所保护的范围。