一种多次反射气室及激光氨气分析仪的制作方法

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本实用新型涉及一种多次反射气室及激光氨气分析仪，属于激光气体检测技术领域。


背景技术：

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氨气(nh3)具有刺激性气味，极易溶于水，通常以气体形式吸入人体，与血红蛋白结合破坏其运氧功能，从而危害人体健康。人对氨气的嗅觉阈值为0.5～2mg/m3，低浓度的氨气对人的呼吸、眼睛和潮湿的皮肤等能迅速产生刺激作用，使人感到不适，影响正常工作。密闭空间如潜艇等长期作业的人员，因装修材料、某些设备以及人体排泄物等都会产生低浓度的氨气，经过长时间的累积，其危害不容小视，需要一种在各种工况下都能实现氨气精准、实时测量的设备。
[0003]
激光氨气分析仪是利用可调谐二极管激光吸收光谱(tdlas)气体分析技术，以近红外可调谐二极管激光器(tdl)作为光源，根据朗伯比尔(lamber-beer)定律，特定气体只吸收特定波长的光谱，吸收的强度与气体浓度成正比，通过对气体吸收强度的检测，计算出特定气体的浓度。该技术被广泛应用于痕量气体的在线检测，具有高精度、高灵敏度、快速响应和抗干扰能力强等特点。
[0004]
反射气室是激光氨气分析仪的核心部件之一，现有的反射气室多为直通式或一次反射式，当遇到颠震、振动等复杂工况时现有反射气室结构的激光氨气分析仪难以正常检测或迅速恢复正常状态。


技术实现要素：

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有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种多次反射气室及激光氨气分析仪。
[0006]
为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：
[0007]
一种多次反射气室，包括气室主体、第一反射镜组件、第二反射镜组件、窗口镜压板、窗口片、第三凹面反射镜和光源支架；其中，气室主体为长方体结构，气室主体上盖设有进气口和出气口，第一反射镜组件和第二反射镜组件分别位于气室主体的两端，气室主体的底座上具有延伸板使底座形成l型结构，第一反射镜组件位于具有延伸板的气室主体一端，第一反射镜组件和第二反射镜组件均包括镜架和固定镜架中的凹面反射镜，其中，第二反射镜组件的镜架上开有通孔，窗口片位于通孔内并通过窗口镜压板与镜架固定，通孔位置即为光束的入光口和出光口位置；光源支架安装在延伸板上靠近第二反射镜组件的一侧，延伸板的另一侧设有光电探测器安装孔；第三凹面反射镜安装在光源支架上，光源支架还用于安装光纤准直器；光源发出的光束经光纤准直器准直后由第二反射镜组件的通孔处入射进入气室主体内，经多次反射后由通孔处出射并经第三凹面反射镜反射至光电探测器敏感面上。
[0008]
进一步的，所述进气口位于靠近第二反射镜组件的一侧，所述出气口位于靠近第一反射镜组件的一侧。
[0009]
进一步的，所述镜架中的凹面反射镜通过镜固定垫固定。
[0010]
进一步的，所述气室主体为一体加工成型。
[0011]
进一步的，所述窗口片为楔形蓝宝石窗口片。
[0012]
一种激光氨气分析仪，包括激光光源组件、气路组件、多次反射气室、光电探测器、前置放大板、传感器板、数据处理板和显示器，其中，激光光源组件包括电流驱动模块、温度控制器和可调谐二极管激光器；数据处理板分别与电流驱动模块、前置放大板、传感器板和显示器连接；数据处理板用于控制电流驱动模块为可调谐二极管激光器提供工作电流，温度控制器控制可调谐二极管激光器的工作温度，可调谐二极管激光器发出的激光光束经准直后进入气室主体内，待测气体经气路组件由进气口进入气室主体内，激光光束在气室主体内多次反射，经待测气体充分吸收后射出后经第三凹面反射镜反射至光电探测器上，光电探测器用于将光信号转化为电信号，前置放大板用于将对电信号进行滤波放大并输出至数据处理板，传感器板用于采集气室主体内的温度信号和压力信号并输出至数据处理板，显示器用于显示待测气体的分析结果。数据处理板还用于接收滤波放大后的电信号、温度信号和压力信号，同时对信号进行处理并输出待测气体分析结果至显示器。
[0013]
进一步的，所述传感器板还用于采集气室主体内的流量信号，数据处理板还用于待测气体的流量。
[0014]
进一步的，所述气室主体内壁为聚四氟乙烯材质。
[0015]
进一步的，所述激光氨气分析仪的气路连接采用聚四氟乙烯材质的管路进行连接。
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有益效果
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本实用新型克服了目前同类检测装置中在复杂工况下环境适应能力方面存在的不足，可满足密闭空间中氨气检测设备在复杂工况下实现精准、实时、稳定的测量需求，市场前景广阔。
[0018]
多次反射气室内壁和气路连接都采用聚四氟乙烯材料进行防吸附处理，可有效改善因氨气吸附性导致的响应缓慢问题，缩短分析时间。
附图说明
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图1为本实用新型所述多次反射气室的结构示意图；
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图2为本实用新型所述多次反射气室的俯视图；
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图3为本实用新型所述激光氨气分析仪组成框图；
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图4为本实用新型所述数据处理板实现功能框图。
具体实施方式
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下面结合具体实施例对本实用新型作进一步详细的说明。
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如图1-2所示，一种多次反射气室，包括气室主体1、第一反射镜组件、第二反射镜组件、窗口镜压板9、窗口片10、第三凹面反射镜11和光源支架13；其中，气室主体1为长方体结构，气室主体1上盖上设有进气口6和出气口15，第一反射镜组件和第二反射镜组件分别位于气室主体1的两端，气室主体1的底座上具有延伸板使底座形成l型结构，第一反射镜组件位于具有延伸板的气室主体1一端，第一反射镜组件包括第一镜架3和第一镜架3中的第
一凹面反射镜2，第二反射镜组件包括第二镜架7和固定第二镜架7中的第二凹面反射镜8，其中，第二镜架7上开有通孔，窗口片10位于通孔内并通过窗口镜压板9与第二镜架7固定，通孔位置即为光束的入光口和出光口位置；光源支架13安装在延伸板上靠近第二反射镜组件的一侧，延伸板的另一侧设有光电探测器安装孔；第三凹面反射镜11安装在光源支架13上，光源支架13还用于安装光纤准直器14；光源发出的光束经光纤准直器14准直后由第二反射镜组件的通孔处入射进入气室主体1内，经多次反射后由通孔处出射并经第三凹面反射镜11反射至光电探测器敏感面上。
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第一镜架3中的第一凹面反射镜2和第二镜架7中的第二凹面反射镜8均通过镜固定垫12固定。
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所述进气口6位于靠近第二反射镜组件的一侧，所述出气口15位于靠近第一反射镜组件的一侧。
[0027]
所述气室主体1上盖上设有温度传感器接口4和压力传感器接口5。
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所述气室主体1为一体加工成型。
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所述窗口片10为楔形蓝宝石窗口片。
[0030]
多次反射气室是激光氨气分析仪最主要的光学部件，结构设计为herriott型，气室两端安装两片凹面反射镜，经多次反射，在反射镜上形成一椭圆或圆形光斑，入光和出光在一个口，角度不同。由于光束在多次反射气室中折叠几十次，振动较大时，端镜的位置稍有变化，出射光点会偏离，影响光强接收。设计上采用整体加工，即安装两片凹面反射镜的垂直面与底座为一体，通过提高气室主体的加工精度确保两反射镜的平行度和同轴度；同时固化了原需要调节的反射镜的几何位置，在气室外通过反射镜调节角度，使出光点精准的投射在检测器敏感面上，光学机械设计加工精度较高。该气室结构采用的设计方式可以确保在较小振动下能正常工作，在较大振动消失后能恢复工作，提高了仪器的环境适应性。
[0031]
如图3所示，一种激光氨气分析仪，包括：激光光源组件、光检测组件、数据处理板、传感器板、触摸显示器和气路组件；
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其中，激光光源组件包括可调谐二极管激光器、电流驱动模块和温度控制板，其中电流驱动模块提供激光器工作用的调谐电流，控制激光器的工作状态，并设定限值对激光器进行过载保护；温度控制板上设有温度控制器用于控制激光器的工作温度，实现稳定输出。电流驱动模块和温度控制板与可调谐二极管激光器分别为导线连接。
[0033]
光检测组件包括多次反射气室、光电探测器和前置放大板，多次反射气室为气体吸收装置；光电探测器负责接收多次反射气室的出射光并转换为电压信号输出；前置放大板对光电探测器输出的电压信号进行滤波、放大等信号调理。光电探测器和前置放大板为导线连接。
[0034]
数据处理板作为信号处理核心，主要功能：调制信号波形的发生、谐波信号的解调、气体浓度反演及补偿处理、浓度显示和相关控制等。
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传感器板，包括温度传感器、压力流量传感器，负责采集环境温度和压力信号以用于浓度补偿，采集流量信号以用于监控抽气泵的工作状态。
[0036]
触摸显示屏用于显示检测到的氨气浓度结果，实现人机交互。
[0037]
气路组件包括抽气泵和气体过滤器，用于采样和过滤空气。
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可调谐二极管激光器采用分布反馈(dfb)型，可设计用于稳定工作温度下的无跳
模连续电流调谐，产生具有非常窄线宽的可调谐单频激光；中心波长选择1512nm，调制度适当，可有效避开水气等干扰气体吸收线。
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温度控制板，本实施例中温度控制板上的温度控制器为wtc3243系列，可以达到0.0009℃的稳定度，超稳pi控制，保证激光器工作稳定，提供精准波长，极大地提高了仪器检测精度，而且其结构紧凑，超小的体积更易于集成设计。
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数据处理板作为信号处理核心，采用fpga和单片机双处理芯片一板化设计，如图4所示，fpga选用xilinx公司xc6slx75，主要负责完成调制信号的产生、谐波信号的解调和二次谐波峰值数据提取等功能；单片机选用ti公司msp430f169，主要负责浓度反演，采样传感器板输出的压力温度信号，实现气体浓度补偿处理，并在触摸显示屏上进行浓度显示和相关控制，fpga与单片机芯片间的数据传输采用串口实现。采用一板化设计，可有效避免电路板间干扰和噪声，提升数据传输的准确性，从而提高仪器检测精度。
[0041]
多次反射气室作为气体吸收池，实现长光程、小型化，因氨气吸附性在其内壁和相关气路连接采用聚四氟乙烯材料进行防吸附处理，可有效改善因吸附导致的响应缓慢问题，缩短分析时间。
[0042]
触摸显示屏，采用迪文公司dwt48270t043，集显示、控制和参数调节于一体，气体浓度信息一目了然，手指轻触按键即可开关抽气泵、报警音及进行参数调节等，人机交互便捷，易操作。
[0043]
本实用新型进行氨气检测采用可调谐二极管激光吸收光谱气体检测技术。可调谐二极管激光器在恒温控制下进行电流调谐，产生近红外波段波长可变的扫描激光，扫描通过待测气体的特征吸收波长。当待测气体的浓度变化时，探测到的激光吸收峰值的强度将随待测气体浓度的变化而相应发生变化，这样利用吸收峰值反演即可得到气体浓度信息。
[0044]
整机工作流程：由数据处理板产生高频调制信号正弦波，同时叠加波长慢扫描信号锯齿波，输出控制电流驱动模块，使得可调谐二极管激光器在恒温控制下发出所需调制光。激光在气室中多次反射，经由待测气体充分吸收后射出。出射光由光电探测器接收转换为电压信号，再由前置放大板进行滤波放大，调理后的信号由数据处理板采样，通过数字锁相放大处理进行谐波解调和放大，同时数据处理板采样气室温度和压力信号，进行气体浓度的反演和相关补偿处理，最后在触摸显示屏上实现气体浓度的显示和相关控制操作。
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综上所述，实用新型包括但不限于以上实施例，凡是在本实用新型的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本实用新型的保护范围之内。