自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置制造方法及图纸

一种自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置，它包括壳体以及设置在壳体上方的目视瞄准镜，其特征是还有设置于壳体中的集激光红光束与激光红外探测光束收发于一体的探头，还包括电动伺服云台以及控制箱，壳体设置于电动伺服云台上，探头和电动伺服云台以及控制箱电连接；还包括角反射器，角反射器与探头分别置于探测光程的两端；角反射器与壳体上层腔室中第一离轴抛物面镜出射光束的主光线共轴。

【技术实现步骤摘要】

本方案涉及工业危险泄漏气体在线、现场监测
，尤其涉及一种自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置。
技术介绍
当前，随着工业的迅猛发展，其中化工、矿产以及油气开采行业等在生产过程中难免产生易燃易爆、有毒的危险性气体，例如甲烷、一氧化碳（CO）等。危险气体一旦泄漏，导致爆炸和中毒，会酿成重大安全事故，造成人员和财产的巨大损失。基于开放光路的可调谐半导体激光器吸收光谱技术（TDLAS）是当前广泛应用于工业危险泄漏气体监测的有效手段（如油气开采与化工工业等），该技术将红外激光束通过待测区域并收集探测，利用待测气体对特定波长或波段的吸收效应，通过得到的红外特征光谱可以判断目标待测气体的有无并计算其浓度大小。然而，由于监测区域较大、光程较长（可达100m）且要求现场实时监测，上述技术手段存在相关光路系统调试对中难度大、光路受环境影响大、装置误报警率高，稳定性及可靠性差等缺陷。例如在油气资源开发行业中的海上油气开采平台上，相关仪器设备难以克服平台不规则振动、海平面大风等环境因素的影响，监测结果可靠性、稳定性差，误报警率高。现有的上述国内外检测装置还难以在复杂环境下得到长期、可靠的使用且安装调试难度大。因此，当前尚缺乏基于TDLAS技术且可以有效克服光路调试对中难度大、稳定性差、误报警率高等缺陷的工业危险泄漏气体现场监测装置。
技术实现思路
本方案提供一种自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置，为了克服在进行气体现场监测时，装置光路安装调试对中难度大、测量结果稳定性与可靠性差、误报警率高等缺陷，该装置中引入自适应瞄准跟踪系统，并通过合理的光学系统设计，将自适应瞄准用激光红光束收发光学系统与气体探测用激光红外光束收发光学系统整合为一体，实现了装置探头对目标角反射器的自适应瞄准与跟踪并同时获取低损耗的红外探测光束能量，最终得到高质量的待测气体激光红外吸收光谱。装置有效克服了环境因素对检测结果的影响（如不规则振动、大风等），降低了误报警率，且延长了装置的人工保养周期，有效提升了危险泄漏气体监测的稳定性与可靠性。一种自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置，它包括壳体以及设置在壳体上方的目视瞄准镜，设置于壳体中的集激光红光束与激光红外探测光束收发于一体的探头，还包括电动伺服云台以及控制箱，壳体设置于电动伺服云台上，探头和电动伺服云台以及控制箱电连接；还包括角反射器，角反射器与探头分别置于探测光程的两端；角反射器与壳体上层腔室中第一离轴抛物面镜出射光束的主光线共轴。本方案的具体特点还有，探头与电动伺服云台控制线缆中的控制线与控制箱内的相应电路模块组件连接。电动伺服云台采用蜗轮蜗杆传动方式，由二轴伺服电机驱动，拥有水平和竖直方向两个自由度。通过对电动伺服云台内伺服电机的控制可以实现云台的水平转动与俯仰转动，从而实现对固定其上的探头的方位调节。壳体包括壳体上层腔室与壳体下层腔室。在壳体下层腔室中设置波分复用器、红光指示光源、光纤分束器、参考气室、红外光电探测器以及可调谐半导体激光器。在壳体上层腔室中设置第一离轴抛物面反射镜、第二离轴抛物面反射镜、第三抛物面反射镜、反射光栅、红外光反射镜、红外光电探测器以及四象限光电探测器。红外光电探测器、四象限光电探测器、激光器的控制线缆由探头引出并与控制箱内的相应电路模块组件连接。壳体下层腔室中可调谐半导体激光器出射的光束经光纤分束器分为三路，其中一路光能与红光指示光源的出射光经过波分复用器耦合进入同一光纤，并通过FC/APC接头以数值孔径为0.14大小的光束入射进入壳体上层腔室中，FC/APC接头位于第一离轴抛物面反射镜的焦点附近，光束经由壳体上层腔室中的第一离轴抛物面反射镜的反射折转和准直后出射，向着角反射器传播。一路通过参考气室后照射到红外光电探测器的光敏面上并引发光电流信号，该路光电信号作为气体吸收特征谱线识别、气体浓度定量的参考；另一路直接照射到红外光电探测器的光敏面上并引发光电流信号，作为探测光电信号归一化的参考。由角反射器反射回来的光能入射到壳体上层腔室光路结构中反射光栅的表面。可调谐半导体激光器出射的红外探测光与红光指示光源出射的指示红光经反射光栅被分离；指示红光经过第二抛物面反射镜的反射后聚焦到四象限光电探测器的探测面上并引发光电流信号；红外探测光经红外探测光反射镜与第三抛物面反射镜的两次反射后聚焦到红外光电探测器的探测面上并引发光电流信号。角反射器通光口径为100毫米。第一离轴抛物面反射镜通光口径为19.8毫米，其倾斜放置，其法线方向与探头主光轴方向夹角为45°，其在垂直于探头主光轴的平面上的投影为一直径为14毫米的圆形区域，对反射光栅产生的遮挡小于2.5%。如图2所示，反射光栅中心位于第一离轴抛物面反射镜中心右侧53毫米处，反射光栅的通光孔径为100毫米，其刻痕密度为0.2线/微米，反射光栅以与x轴方向所夹锐角52°的方位放置，反射光栅的光栅刻痕面朝向y轴正方向。其中第二抛物面反射镜的通光口径为88.1毫米，其中心位于反射光栅中心x轴负方向10.2毫米、y轴正方向178.8毫米处，焦点位于反射光栅中心x轴正方向104.6毫米、y轴正方向54.4毫米处。四象限光电探测器置于红外光束会聚焦点之前，其中心位于第二离轴抛物面反射镜x轴正方向103.2毫米、y轴负方向112.1毫米处，使得指示红光的光斑大小与四象限光电探测器的光敏面大小一致。红外探测光反射镜的通光口径为41.4毫米，其中心位于反射光栅中心x轴正方向75.5毫米、y轴正方向217.4毫米，法线方向与x轴正方向夹角101°。第三抛物面反射镜的通光口径为42.5毫米，其中心位于反射光栅中心x轴正方向62.5毫米，y轴负方向45.1毫米处，焦点位于反射光栅中心x轴正方向92.1毫米、y轴负方向0.3毫米处。控制箱内设置有可调谐半导体激光器驱动电路、可调谐半导体激光器温度控制电路、温度传感芯片、压力传感芯片、微控制器、电动伺服云台控制电路、光电探测器数据采集电路以及显示报警模块。电源为整个装置提供电力供应。四象限光电探测器将照射到其表面的光能分布情况转化为电信号，经过其内部前置放大电路、滤波电路、二级放大电路以及A/D转换器后将最终所得数字信号发送给微控制器。微控制器对信息进行处理后，首先控制电动伺服云台内二轴伺服电机的动作，以5度/步的精度对探头方位进行粗调节。然后，基于此调节结果，红外光电探测器获取红外探测光并产生成红外光电信号，光电探测器数据采集电路将其转化为微控制器可接收、识别的数字信号并传送给微控制器。微控制器结合爬山算法，以特征吸收峰信噪比、谱线线型等作为目标评价函数，以0.2度/步的精度对探头进行精细调节，直到目标评价函数达到最大值，即完成对探头的调节，此时所得光谱信号将达到最佳。可调谐半导体激光器驱动电路模块在微控制器的控制下输出驱动扫描电流，驱动可调谐半导体激光器输出激光束。可调谐半导体激光器温度控制电路在微控制器的控制下实时感知可调谐半导体激光器的工作温度并输出反馈电流，稳定可调谐半导体激光器的工作温度。温度传感芯片与压力传感芯片实时感知环境温度与压力，并将反馈信号传送到微控制器，用于气体浓度定量计算温度、压力补偿。微控制器通过显示、报警模块将实时测量得到的环境本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置，它包括壳体以及设置在壳体上方的目视瞄准镜，其特征是还有设置于壳体中的集激光红光束与激光红外探测光束收发于一体的探头，还包括电动伺服云台以及控制箱，壳体设置于电动伺服云台上，探头和电动伺服云台以及控制箱电连接；还包括角反射器，角反射器与探头分别置于探测光程的两端；角反射器与壳体上层腔室中第一离轴抛物面镜出射光束的主光线共轴。

【技术特征摘要】
1.一种自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置，它包括壳体以及设置在壳体上方的目视瞄准镜，其特征是还有设置于壳体中的集激光红光束与激光红外探测光束收发于一体的探头，还包括电动伺服云台以及控制箱，壳体设置于电动伺服云台上，探头和电动伺服云台以及控制箱电连接；还包括角反射器，角反射器与探头分别置于探测光程的两端；角反射器与壳体上层腔室中第一离轴抛物面镜出射光束的主光线共轴。2.根据权利要求1所述的自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置，其特征是壳体包括壳体上层腔室与壳体下层腔室；在壳体下层腔室中设置波分复用器、红光指示光源、光纤分束器、参考气室、红外光电探测器以及可调谐半导体激光器；在壳体上层腔室中设置第一离轴抛物面反射镜、第二离轴抛物面反射镜、第三抛物面反射镜、反射光栅、红外光反射镜、红外光电探测器以及四象限光电探测器；红外光电探测器、四象限光电探测器、激光器的控制线缆由探头引出并与控制箱内的相应电路模块组件连接。3.根据权利要求2所述的自适应反射式红外激光工业危险泄漏气体监测装置，其特征是壳体下层腔室中可调谐半导体激光器出射的光束经光纤分束器分为三路，其中一路光能与红光指示光源的出射光经过波分复用器耦合进入同一光纤，并通过FC/APC接头以数值孔径为0.14大小的光束入射进入壳体上层腔室中，FC/APC接头位于第一离轴抛物面反射镜的焦点附近，光束经由壳体上层腔室中的第一离轴抛物面反射镜的反射折转和准直后出射，向着角反射器传播；另一路通过参考气室后照射到红外光电探测器的光敏面上并引发光电流信号，该路光电信号作为气体吸收特征谱线识别、气体浓度定量的参考；还有一路直接照射到红外光电探测器的光敏面上并引发光电流信号，作为探测光电信号归一化的参考；由角反射器反射回来的光能入射到壳体上层腔室光路结构中反射光栅的表面；可调谐半导体激光器出射的红外探测光与红光指示光源出射的指示红光经反射光栅被分离；指示红光经过第二抛物面反射镜的反射后聚焦到四象限光电探测器的探测面上并引...

【专利技术属性】
技术研发人员：王寅，魏玉宾，赵维崧，张婷婷，胡杰，刘统玉，
申请(专利权)人：山东微感光电子有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37