光学气体检测系统的制作方法

本发明涉及气体检测领域，特别是涉及一种光学气体检测系统。

背景技术：

在应用红外光谱分析技术对待测气体进行气体检测时，可根据待测气体对红外光源的吸收强度来推算待测气体的浓度。应用于红外光谱分析技术的激光器，在使用的过程中，因环境变化或器件老化，其中心波长会发生变化，而造成气体浓度测量不准确。

技术实现要素：

基于此，提供一种光学气体检测系统，能实时校准激光器的中心波长，保证浓度测量的准确性。

一种光学气体检测系统，包括：

激光器，用于生成第一激光束；

光学气体吸收池，容置有待测气体；

光学镜片；以及

中心波长锁定装置，与所述激光器连接；

其中，所述第一激光束透过所述光学镜片生成射向所述光学气体吸收池的第二激光束，同时该第一激光束还被所述光学镜片反射生成射向所述中心波长锁定装置的第三激光束；以及

所述第二激光束用于对所述待测气体进行浓度检测，所述中心波长锁定装置用于利用所述第三激光束对所述激光器的中心波长进行校准，且所述第二激光束的强度大于所述第三激光束的强度。

在其中一个实施例中，所述光学气体吸收池包括：

容置腔，用于盛放待测气体；以及

窗口片，设置于所述容置腔的侧壁上，用于作为所述光学镜片；

其中，所述第一激光束透过所述窗口片生成射向所述容置腔的第二激光束，同时该第一激光束还被所述窗口片反射生成射向所述中心波长锁定装置的第三激光束。

可在不改变原有光学气体吸收池结构的前提下，利用所述窗口片反射的无用光进行所述激光器的中心波长的校准。

在其中一个实施例中，所述窗口片为楔形镜片，避免了光学干涉现象。

在其中一个实施例中，所述激光器中心波长锁定装置包括：

测量模块，容置有参考气体；所述测量模块用于接收并吸收所述第三激光束，以获得所述激光器的实时中心波长；

分析模块，包括分析单元和存储单元，所述分析单元与所述测量模块连接，所述存储单元存储有标准中心波长；

控制模块，分别与所述激光器和所述分析模块连接，以实时控制所述激光器的实时中心波长；

其中，所述分析模块接收所述测量模块获得的所述实时中心波长，并与所述标准中心波长进行比对，以获得所述实时中心波长相对于所述标准中心波长的偏差；以及

控制模块根据所接收的所述偏差，对所述激光器进行控制，以将所述实时中心波长锁定在所述标准中心波长。

在其中一个实施例中，所述测量模块包括：

聚焦透镜，用于对所述第三激光束进行聚焦。

在其中一个实施例中，所述测量模块还包括：

红外探测器，用于检测经所述参考气体吸收后的第三激光束。

在其中一个实施例中，所述参考气体与所述待测气体成分相同。

在其中一个实施例中，所述测量模块中的气体浓度依据所述系统的量程、所述待测气体模块的光程长度、所述测量模块的长度而设定。

在其中一个实施例中，所述激光器为半导体激光器。

在其中一个实施例中，所述控制模块为半导体制冷模块，用于通过控制所述激光器的温度来控制所述激光器的中心波长。

在其中一个实施例中，所述激光器为to封装激光器，成本较低，适宜大批量应用。

上述光学气体检测系统，通过所述光学镜片对所述激光器发出的所述第一激光束分别进行透射和反射，生成相应的所述第二激光束和所述第三激光束，所述第二激光束用于入射所述光学气体吸收池以对所述待测气体进行浓度检测，所述第三激光束用于入射所述激光器中心波长锁定装置，以对所述激光器的中心波长进行测量并校准，使得所述光学气体检测系统可对所述激光器在使用过程中发生的波长漂移进行实时监测及修正，保证了测量结果的准确性，并且，所述第二激光束的强度大于所述第三激光束的强度，避免了激光能量的浪费。

附图说明

图1为一个实施例中光学气体检测系统的结构示意图；

图2为一个实施例中激光中心波长锁定装置的结构示意图；

图3为另一个实施例中光学气体检测系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为一个实施例中光学气体检测系统的结构示意图，如图1所示，一种光学气体检测系统10，包括激光器100、光学气体吸收池200、光学镜片300以及激光器中心波长锁定装置400，其中，所述激光器100可产生第一激光束，所述光学气体吸收池200容置有待测气体，所述激光器中心波长锁定装置400与所述激光器100连接，可用于实时测量并校准所述激光器100的中心波长，以将所述激光器100的中心波长锁定在标准的中心波长；所述第一激光束入射至所述光学镜片300，经光学镜片透射和反射，分别透射生成第二激光束，反射生成第三激光束，所述第二激光束入射至所述光学气体吸收池200，以进行所述待测气体的浓度检测，所述第三激光束入射至所述激光器中心波长锁定装置400，以测量所述激光器100的中心波长，并相应的将所述激光器100的中心波长调校至标准的中心波长。

具体地，所述激光器100根据待测气体来选择，需满足当所述激光器100的实际中心波长处于标准中心波长时，待测气体对所述第二激光束(即激光器100所发出的激光)吸收最强；所述光学气体吸收池200具有入射镜和出射镜，所述第二激光束进入所述光学气体吸收池200后可多次经过入射镜和反射镜的反射，在所述光学气体吸收池200内多次折返传输，在此期间，所述待测气体对所述第二激光束进行吸收，根据吸收的强度可判读获取所述待测气体的浓度。

进一步地，所述第二激光束的强度大于所述第三激光束的强度，所述强度可为功率或者能量，当所述激光器100为连续波激光器时，所述强度为功率，当所述激光器100为脉冲激光器时，所述强度为能量；所述第二激光束为所述第一激光束照射至所述光学镜片300上时透射该光学镜片的激光束，所述第三激光束为所述第一激光束照射至所述光学镜片300上时被该光学镜片反射的激光束，即该第二激光束和第三激光束为上述的第一激光束照射至光学镜片上同时生成的，相应的第二激光束的强度和第三激光束的强度之和小于等于第一激光束的强度，而考虑到第一激光束照射至光学镜片上会产生一定光耗，故而第二激光束的强度和第三激光束的强度之和小于第一激光束的强度；而在使用所述第三激光束进行激光器中心波长的测量和校准时，对所述第三激光束的强度要求不高，与此同时，第二激光束在所述光学气体吸收池200传播的过程中会经过多次反射，能量损耗较大，需要更高的强度。因此，第二激光束的强度高于第三激光束的强度，保证了浓度测量的准确性，同时又避免了不必要的能量浪费。

在其中一个实施例中，所述光学镜片300为所述光学气体吸收池200的窗口片。所述光学气体吸收池200包括容置腔以及窗口片，所述容置腔用于盛放待测气体，所述窗口片设置于所述容置腔的侧壁上，用于作为所述光学镜片300；其中，所述第一激光束透过所述窗口片生成射向所述容置腔的第二激光束，同时该第一激光束还被所述窗口片反射生成射向所述中心波长锁定装置的第三激光束。一般地，用于测量待测气体浓度的光束需要通过窗口片进入光学气体吸收池200，而在通过所述窗口片的过程中，不可避免的会发生反射，所述第一激光束经过所述窗口片的反射以生成第三激光束，并将所述第三激光束用于所述激光器100的中心波长锁定，避免了光能的浪费。

具体地，可在所述窗口片上镀以特定的光学薄膜，以控制所述窗口片的反射率和透过率，从而控制所述第二激光束和所述第三激光束的强度比。

需要说明的是，光学镜片300可独立于光学气体吸收池200而设置，独立设置时，装调更方便，也便于拆卸更换。

在其中一个实施例中，所述窗口片为楔形镜片。所述楔形镜片具有第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面为非平行状态，所述第一激光束入射至所述第一表面，在所述第一表面透射形成所述第二激光束，同时该第一激光束再所述第一表面反射生成所述第三激光束，所述第二激光束传播至所述楔形镜片的所述第二表面，经所述第二激光束在所述第二表面再次经过透射和反射，分别形成第四激光束和第五激光束，所述第四激光束进入所述光学气体吸收池200进行待测气体浓度的测量，所述第五激光束折返至所述第一平面，并再次经所述第一平面透射，生成所述第六激光束，所述楔形镜片的所述第一表面和所述第二表面不平行，保证了所述第三激光束和所述第六激光束不会发生干涉现象，从而保证了测量的准确性。

图2为一个实施例中激光中心波长锁定装置的结构示意图，如图2所示，所述激光器中心波长锁定装置400可包括测量模块410、分析模块420以及控制模块430；其中，所述测量模块410具有参考气室，所述参考气室内容置有一定浓度的参考气体，所述第三激光束传播至所述测量模块410，并在所述参考气室内传播，经所述参考气体吸收，来获得所述第三激光束的波长，以获得所述激光器100的实时中心波长；所述分析模块420包括分析单元和存储单元，所述分析单元与所述测量模块410连接，可接受所述测量模块410测得的所述实时中心波长，同时，所述存储单元存储有标准中心波长，所述分析模块420可将所述实时中心波长与所述标准中心波长进行比对，计算所述实时中心波长相对于所述标准中心波长的偏差；所述控制模块430分别与所述激光器100和所述分析模块420连接，可接受所述分析模块420所获得的所述偏差，并依据所述偏差对所述激光器100进行控制，以实时控制所述激光器100的实时中心波长，将所述实时中心波长锁定在所述标准中心波长。具体地，在实际的使用过程中，所述激光器中心波长锁定装置400可以与所述光学气体吸收池200连为一体，也可以单独设置，可依实际装配需求来定。

在其中一个实施例中，所述测量模块410包括聚焦透镜和红外探测器；其中，所述聚焦透镜用于对所述第三激光束进行汇聚，并将所述第三激光束聚焦至所述红外探测器表面，增强所述光学气体检测系统10的系统容错性；所述红外探测器接收经所述参考气体吸收后的第三激光束，并对该第三激光束进行强度探测，从而获取所述第三激光束的中心波长。

在其中一个实施例中，所述参考气体的成分与所述待测气体的成分相同。需要说明的是，所述参考气体与所述待测气体并不要求是单一成分的气体，只需要保证两者与激光器反应的气体成分一只即可，例如，所述待测气体成分为氨气，则所述参考气体和所述待测气体可以都为单一的氨气，也可都为氮气与氨气的混合气体，其中，氮气为背景气，不与激光发生作用，不影响测量的准确性，或者也可以使用两种不同的背景气分别组成两种混合气。

在其中一个实施例中，所述测量模块410中的参考气体浓度可依据光学气体吸收池200的光程以及所述测量模块410的所述参考气室的光程来设置。例如，以激光氨气检测系统为例，所述激光氨气检测系统量程为0～100ppm，该激光氨气检测系统的光学气体吸收池光程长度为1000mm，参考气室的光程长度为5mm，则参考气室中所述参考气体的浓度＝(待测气体浓度上限*0.5)*光学气体吸收池200的光程/参考气室的光程＝100*0.5*1000/5＝10000ppm。

在其中一个实施例中，所述激光器100为to封装激光器，所述to封装激光器的出射激光直接入射至光学检测系统，而不经过光纤的传输，从而可适应各波段的激光需求，也更易集成，另外，to封装激光器价格适中，适宜于大批量应用。在其中一个实施例中，所述激光器100为半导体激光器，体积小，寿命长，价格便宜。

在其中一个实施例中，所述控制模块430可为半导体制冷模块，可用于通过控制所述激光器100的温度来控制其相应的实时中心波长。具体地，半导体激光器的发射波长一般都随温度升高而变长，其波长温漂系数一般为0.3nm/k～0.4nm/k，因此，可通过半导体制冷模块对所述半导体激光器的温度进行控制，从而调整相应的实时中心波长至标准中心波长。

下面结合具体的应用，对本申请中光学气体检测系统进行详细说明：

图3为另一个实施例中光学气体检测系统的结构框图，如图3所示，一种光学气体检测系统包括激光器、光学气体吸收池、窗口片以及激光器中心波长锁定装置(图中虚线方框所示)，其中，所述窗口片为所述光学气体吸收池一部分，用于激光束的入射，所述激光器中心波长锁定装置包括聚焦透镜、参考气体以及红外探测器；具体地，所述激光器发出第一激光束，所述第一激光束传输至所述窗口片，经所述窗口片透射生成第二激光束，同时该所述第一激光束经所述窗口片反射生成第三激光束。所述第二激光束进入所述光学气体吸收池的腔体内，被所述光学气体吸收池腔体内的待测气体吸收，从而获得待测气体的浓度，所述第三激光束经聚焦透镜聚焦后进入所述激光器中心波长锁定装置的参考气室，被所述参考气室内的参考气体吸收，再经所述红外探测器探测，从而获得所述第三激光束的中心波长，从而获得所述激光器的实时中心波长，所述半导体制冷模块(图中未示出)根据所述实时中心波长与所述标准波长的差值，相应的控制所述激光器，从而将所述激光器的实时中心波长锁定在所述标准中心波长。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。