基于TDLAS技术的气体检测装置的制作方法

本实用新型属于气体检测领域，特别涉及一种基于tdlas技术的气体检测装置。

背景技术：

气体浓度检测广泛应用于存在易燃、易爆、毒性、污染气体的生产环节中。由于基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(tunablediodelaserabsorptionspectroscopy)对特定频率吸收的待测气体有较高的选择性和灵敏度，已经被广泛应用于各类工业环境检测现场。但随着科学技术、生产工艺的不断发展，以及环保安全要求的提高，市面上现有的检测装置已经不能满足其检测灵敏度、检测精度、检测下限的需求。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种检测结果准确性高的基于tdlas技术的气体检测装置。

为实现以上目的，本实用新型采用的技术方案为：一种基于tdlas技术的气体检测装置，包括检测光发生部、光学检测部和数据采集及分析部，光学检测部包括气体容腔和设于气体容腔外的光路调整单元。

与现有技术相比，本实用新型存在以下技术效果：独立布置的光路调整单元清洁维护与调节操作便捷，将光路调整单元布置在气体容腔外，还能避免待测气体污染或腐蚀光学镜片，从而保障光信号采集的准确性。

附图说明

下面对本说明书各附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1是本实用新型的示意图；

图2是光学检测部的示意图；

图3、4是反射镜的剖视图；

图5是反射镜的正视图。

图中：10.检测光发生部，11.直接数字式频率合成器，12.激光器，20.光学检测部，21.气体容腔，22.光路调整单元，221.导轨，222.反射镜组，222a.反射镜一，222b.反射镜二，2221.反光层，2222.入射光口，2223.出射光口，2224.入射光孔，2225.出射光孔，30.数据采集分析部，31.探测器，32.锁相放大单元，321.前置放大器，322.数字锁相放大器，33.分析单元，40.fpga芯片。

具体实施方式

下面结合附图，通过对实施例的描述，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。

一种基于tdlas技术的气体检测装置，包括检测光发生部10、光学检测部20和数据采集及分析部30，光学检测部20包括气体容腔21和设于气体容腔21外的光路调整单元22。将光路调整单元22独立设置在气体容腔21外，能保护高精度光学镜片免受待测气体内含有的固体颗粒污染，保证光信号强度，还能保护高精度光学镜片免受腐蚀性成分腐蚀，保护光路。当待测气体的温度高于高精度光学镜片的最高耐受温度时，光路调整单元22与气体容腔21分离布置能有效保护镜片，避免镜片受热变形改变检测光路，从而可靠保障检测结果的准确性。

具体的，光路调整单元22包括导轨221，气体容腔21固定连接在导轨221的中部，反射镜组222通过调节座223安装在导轨221的两端，位于入射端的反射镜一222a上游设有准直单元23，位于探测端的反射镜二222b的下游设有探测器31；准直单元23与激光器12光纤连接，激光器12将调制信号a转化为光信号k输送至准直单元23，光信号k经准直单元23准直后在反射镜组222之间多次反射，探测器31接收从反射镜组222射出的光信号k并将采集得到的光信号k转换为电信号送入锁相放大单元32。

在具体实施时，激光器12的出射光束经准直单元23准直后，在反射镜一222a和反射镜二222b之间来回往返，多次穿过气体容腔21内的待测气体，吸收光程大大增加，从而大幅提升了吸收光谱强度，进而提升检测的灵敏度。如图3、4、5所示，反射镜一222a和反射镜二222b为凹面透镜，其凹面镀有反光层2221，反射镜一222a的反光层2221避让其入射光口2222，反射镜二222b的反光层2221避让其出射光口2223；另一实施例中，反射镜一222a的镜体上开设有入射光孔2224，反射镜二222b的镜体上开设有出射光孔2225。

优选的，如图1所示，检测光发生部10包括直接数字式频率合成器11与激光器12，

直接数字式频率合成器11输出锯齿波与正弦波直接数字式合成的电流信号接入激光器12作为调制信号a；

直接数字式频率合成器11输出与调制信号a的正玄波时序同步且同频的电信号接入信号采集及分析部30的锁相放大单元32作为参考信号b；

直接数字式频率合成器11输出与调制信号a的锯齿波时序同步的脉冲信号送入数据采集及分析部30的分析单元33作为采样触发信号c。

直接数字式频率合成器(directdigitalsynthesizer)具有频率精度高、转换时间快、信号时序同步、稳定度高、受硬件信号叠加噪声小等优点，输出的调制、解调相位精度高，信号更加稳定。

优选的，锁相放大单元32包括前置放大器321和数字锁相放大器322，前置放大器321将接收到的电流信号d转化为放大的电压信号e，该电压信号e与参考信号b同步送入数字锁相放大器322，数字锁相放大器322基于电压信号e与参考信号b提取二次谐波信号f并将其送入分析单元33，分析单元33基于二次谐波信号f与触发信号c进行计算，反演吸收光谱浓度，获得检测气体浓度数据。数字锁相放大器322的实时性强、精度高、体积小、适应性强，稳定性好，不易受环境干扰。

直接数字式频率合成器11与锁相放大单元32集成在同一fpga(fieldprogrammablegataarray)芯片(40)上，提升检测精度和稳定性。

技术特征：

1.一种基于tdlas技术的气体检测装置，其特征在于：包括检测光发生部(10)、光学检测部(20)和数据采集及分析部(30)，光学检测部(20)包括气体容腔(21)和设于气体容腔(21)外的光路调整单元(22)。

2.根据权利要求1所述的基于tdlas技术的气体检测装置，其特征在于：检测光发生部(10)包括直接数字式频率合成器(11)与激光器(12)，

直接数字式频率合成器(11)输出锯齿波与正弦波直接数字式合成的电流信号接入激光器(12)作为调制信号(a)；

直接数字式频率合成器(11)输出与调制信号(a)的正弦波时序同步且同频的电信号接入信号采集及分析部(30)的锁相放大单元(32)作为参考信号(b)；

直接数字式频率合成器(11)输出与调制信号(a)的锯齿波时序同步的脉冲信号送入数据采集及分析部(30)的分析单元(33)作为采样触发信号(c)。

3.根据权利要求2所述的基于tdlas技术的气体检测装置，其特征在于：光路调整单元(22)包括导轨(221)，气体容腔(21)固定连接在导轨(221)的中部，反射镜组(222)通过调节座(223)安装在导轨(221)的两端，位于入射端的反射镜一(222a)上游设有准直单元(23)，位于探测端的反射镜二(222b)下游设有探测器(31)；

准直单元(23)与激光器(12)光纤连接，激光器(12)将调制信号(a)转化为光信号(k)输送至准直单元(23)，光信号(k)经准直单元(23)准直后在反射镜组(222)之间多次反射，探测器(31)接收从反射镜组(222)射出的光信号(k)并将采集得到的光信号(k)转换为电信号送入锁相放大单元(32)。

4.根据权利要求3所述的基于tdlas技术的气体检测装置，其特征在于：反射镜一(222a)和反射镜二(222b)为凹面镜，其凹面镀有反光层(2221)，反射镜一(222a)的反光层(2221)避让其入射光口(2222)，反射镜二(222b)的反光层(2221)避让其出射光口(2223)。

5.根据权利要求3所述的基于tdlas技术的气体检测装置，其特征在于：反射镜一(222a)和反射镜二(222b)为凹面镜，其凹面镀有反光层(2221)，反射镜一(222a)的镜体上开设有入射光孔(2224)，反射镜二(222b)的镜体上开设有出射光孔(2225)。

6.根据权利要求3所述的基于tdlas技术的气体检测装置，其特征在于：锁相放大单元(32)包括前置放大器(321)和数字锁相放大器(322)，前置放大器(321)将接收到的电流信号(d)转化为放大的电压信号(e)，该电压信号(e)与参考信号(b)同步送入数字锁相放大器(322)，数字锁相放大器(322)基于电压信号(e)与参考信号(b)提取二次谐波信号(f)并将其送入分析单元(33)，分析单元(33)基于二次谐波信号(f)与触发信号(c)进行计算，反演吸收光谱浓度，获得检测气体浓度数据。

7.根据权利要求6所述的基于tdlas技术的气体检测装置，其特征在于：直接数字式频率合成器(11)与锁相放大单元(32)集成在同一fpga芯片上。

技术总结
本实用新型属于气体检测领域，特别涉及一种基于TDLAS技术的气体检测装置，包括检测光发生部、光学检测部和数据采集及分析部，光学检测部包括气体容腔和设于气体容腔外的光路调整单元。本实用新型独立布置的光路调整单元清洁维护与调节操作便捷，将光路调整单元布置在气体容腔外，还能避免待测气体污染或腐蚀光学镜片，从而保障光信号采集的准确性。

技术研发人员：于文彬;王艳;郭杰;王瑞;刘世胜
受保护的技术使用者：合肥金星机电科技发展有限公司
技术研发日：2019.09.25
技术公布日：2020.07.14