多光纤通道激光红外气体传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种多光纤通道激光红外气体传感器，包括：一个电路和人机交换模块，用于电源管理，系统控制，信号的锁相放大、采集、储存、分析与读取，及人机交互；至少一个半导体热电制冷器，与电路和人机交换模块连接，用于实现温度控制；一个激光器，固定在半导体热电制冷器上并与电路和人机交换模块连接，用于发射红外激光；至少一个红外探测器，固定在半导体热电制冷器上并与电路和人机交换模块连接，用于接收红外激光；光纤探头，通过光纤与激光器和所述红外探测器连接，用于探测多个气体待测点。本发明专利技术可以探测远处或者角落的气体，更加安全，且可同时探测多个气体测量点，提高了集成度，降低了成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种红外气体传感器，具体涉及一种多光纤通道的激光红外气体传感器。
技术介绍
在石化行业、矿产开发中往往存在一氧化碳、烷类、烯类和炔类等易燃气体以及 苯、醛、酮等有机蒸汽，它们易燃易爆，对生产安全和环境保护都造成巨大威胁，须对其进行 严密、实时的监控。检测可燃性气体的传感器主要有催化燃烧和红外吸收式两种类型。催 化燃烧式传感器设计与制造相对容易，价格较低。但它有以下严重缺陷反应需要有氧气 参加，即被检测环境中的氧气含量不能太低，当氧气含量低于16%时它的检测值就会偏低； 环境中存在含硅、氯、硫等的化合物时，传感器会发生中毒现象，灵敏度严重降低甚至完全 失效；只能检测低可燃气浓度，气体浓度过高或长时间接触低浓度气体都会造成传感器的 灵敏度大幅度下降或损坏；探测速度较慢，延时明显；稳定性差，每隔几个月就需要重新校 正。在石化这种安全要求极高的行业，这些缺陷将带来严重的隐患。与催化燃烧式传感器 相比，红外吸收式具有选择性好、测量范围宽、不中毒、不依赖于氧气、寿命长等显著优点， 是高性能气体传感器的主流发展方向。在红外吸收气体传感器的家族中，性能最卓越的是激光红外气体传感器。该技术 利用半导体激光器作为红外光源，利用高性能的红外探测器进行信号探测。它具备传统红 外吸收气体传感器的一切优点，同时也具备一系列独特的优势，包括测量灵敏度高、覆盖气 体种类多、响应时间快、轻便小巧等。但是一般激光红外气体传感器并不适合用以可燃气体 监测，其原因在于，其所用红外光源为量子级联激光器，工作电流很大，发热很强，需要利用 半导体热电制冷器来制冷和稳定温度，万一制冷器失灵或传感器排热不及时，可能引燃易 燃易爆气体，导致灾难性后果发生。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种多光纤通道激光红外气体传感器，气体传 感器的红外激光器、探测器、人机界面和气体吸收部分分离，中间由光纤连接。利用光纤将 激光器所发出的红外激光传送至待测点，光纤发射头所发出的红外激光经待测气体吸收之 后由另外一束光纤收集，并且传回红外探测器，随后由信号采集和处理系统进行处理，最终 获取待测气体的种类和浓度信息。为了解决以上技术问题，本专利技术提供了一种多光纤通道激光红外气体传感器，包 括一个电路和人机交换模块，用于电源管理，系统控制，信号的锁相放大、采集、储 存、分析与读取，及人机交互；至少一个半导体热电制冷器，与所述电路和人机交换模块连接，用于实现温度控 制；一个激光器，固定在所述半导体热电制冷器上并与所述电路和人机交换模块连 接，用于发射红外激光；至少一个红外探测器，固定在所述半导体热电制冷器上并与所述电路和人机交换 模块连接，用于接收红外激光；光纤探头，通过光纤与所述激光器和所述红外探测器连接，用于探测多个气体待 测点。 本专利技术具有以下优点1.专利技术的光纤探头激光红外气体传感器利用光纤将激光器所发出的红外激光传 送至气体测量点，光纤发射头所发出的红外激光经待测气体吸收之后由另外一束光纤收 集，并且传回至红外探测器。这一措施有两个好处一、可以探测远处或者角落的气体，例 如矿井深处；二、气体传感器的激光器和电路部分远离所探测的气体，在探测易燃易爆气体 时，不会因为激光器的发热或者电路中的电火花而引燃引爆气体。2.本专利技术的光纤探头激光红外气体传感器可同时连接多个光纤探头，同时探测多 个气体测量点，提高了集成度，降低了成本。激光红外气体传感器的关键部分是量子级联激 光器，其价格很高，目前可调谐量子级联激光器的单价为1万美元左右。在我们的专利技术中， 多个气体测量通道共享同一个量子级联激光器，及控制、信号采集、人机交互等部分，每一 个气体测量通道的成本因此大大降低。3.本专利技术的光纤探头激光红外气体传感器工作波段为中红外波段(3至12微 米)，在这一波长区域内，绝大多数非极性分子分子都有着特征性吸收峰，属于本征吸收，其 吸收强大远高于近红外波段，探测灵敏度高，可辨识性好。4.室温下工作。通常的高性能红外吸收型气体传感设备都需要利用液氮制冷，致 使设备昂贵笨重，操作不便。我们的产品所用光源为量子级联激光器，光强很高，而所用探 测器在室温下就具备很高的吸收系数，故而系统在室温下就可以正常工作，无需液氮制冷。5.扫描时间快，为1秒钟以下。觉得扫描速度的主要因素是量子级联激光器的调 谐速度和量子阱红外探测器的响应速度，我们所用到的量子级联激光器可通过电流调谐， 其速度很快，全光谱扫描所需时间仅为几毫秒，而量子阱红外探测器是中远红外波段响应 速度最快的探测器，响应频率可达数十(GHz)。综合起来，本专利技术能够在很短的时间内完成 数千次重复扫描，大大提高探测精度。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。图1是本专利技术的多光纤通道(以两个光纤探头为例)激光红外气体传感器结构示 意图；图2是本专利技术的气体探头。图中的附图标记为1、电路和人机交换模块；2、第一半导体热电制冷器；3、量子 级联激光器；4、透镜光纤(第一光纤)；5、光纤耦合器；6、第二光纤；7、第一气体探头；8、第 三光纤；9、第二半导体热电制冷器；10、第一量子阱红外探测器；11、第四光纤；12、第二气 体探头；13、第五光纤；14、第三半导体热电制冷器；15、第二量子阱红外探测器；16、探头壳 体；17、第一光纤口 ；18、第二光纤口 ；19、反射镜；20、透气防尘膜。具体实施例方式如图1所示，本专利技术的多光纤通道(以两个光纤通道为例)激光红外气体传感器， 包括电路和人机交换模块1，用于电源管理，系统控制，信号的锁相放大、采集、储存、分析 与读取，及人机交互；第一半导体热电制冷器2，与电路和人机交换模块1连接，用于实现温 度控制；量子级联激光器3，固定在第一半导体热电制冷器2上并与电路和人机交换模块1 连接，用于发射红外激光；透镜光纤4 (第一光纤)，靠近量子级联激光器发光端，用以将量 子级联激光器所发出的红外光准直并且导入光纤；光纤耦合器5，连接透镜光纤4，将激光 由一条光纤中分至多条光纤(本实施例为光纤6和光纤11)；光纤6，将红外激光传送至第 一气体探头7 ；光纤8，将红外激光传送回第一量子阱红外探测器10 ；第二半导体热电制冷 器9，与电路和人机交换模块1相连，用以给第一量子阱红外探测器10制冷；第一量子阱红 外探测器10，与电路和人机交换模块1相连，用以探测红外激光信号；光纤11，将红外激光 传送至第一气体探头12 ；光纤13，将红外激光传送回第一量子阱红外探测器15 ；第三半导 体热电制冷器14，用以给第二量子阱红外探测器15制冷；第二量子阱红外探测器15，与电 路和人机交换模块1相连，用以探测红外激光信号。如图2所示，本专利技术的多光纤通道激光红外气体传感器的气体探头，包括探头壳 体，上面有多个孔洞21以供待测气体进出；在探头壳体外覆盖有防尘透气膜20 ；在探头壳 体一端有第一光纤口 17，是光纤6进入气体探头的端口，以及第二光纤口 18，是光纤8进入 气体探头的端口 ；在探头壳体另外一端有一个反射镜19。工作时，光纤6所发出的红外激 光，经反射镜面19反射，随后进入光纤8。在此过程中，红外激光两次穿越气体探头壳体内 的空间，为待测气体所吸收。本专利技术的量子级联激光器由砷化镓材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多光纤通道激光红外气体传感器，其特征在于，包括：一个电路和人机交换模块，用于电源管理，系统控制，信号的锁相放大、采集、储存、分析与读取，及人机交互；至少一个半导体热电制冷器，与所述电路和人机交换模块连接，用于实现温度控制；一个激光器，固定在所述半导体热电制冷器上并与所述电路和人机交换模块连接，用于发射红外激光；至少一个红外探测器，固定在所述半导体热电制冷器上并与所述电路和人机交换模块连接，用于接收红外激光；光纤探头，通过光纤与所述激光器和所述红外探测器连接，用于探测多个气体待测点。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘惠春，杨耀，
申请(专利权)人：无锡沃浦光电传感科技有限公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]