便携式多气体遥测装置制造方法及图纸

一种便携式多气体遥测装置，它由便携式探头与控制箱两部分组成；便携式探头包括壳体，在壳体中部水平方向由左到右依次布置有石英保护窗、第一45°平面反射镜、离轴抛物面反射镜、双曲面副反射镜、带有中央通孔的抛物面主反射镜，滤光片和雪崩光电探测器；在第一45°平面反射镜的上方布置有第二45°平面反射镜和目视光学瞄准镜；雪崩光电探测器的输出信号通过电缆线与控制箱内锁相放大器相连接；在离轴抛物面反射镜下方的壳体中设置有光纤FC/APC接头和与之连接的光纤合束器，与光纤合束器连接的是集成到壳体内部的4台可调谐范围不同的DFB可调谐半导体激光器，DFB可调谐半导体激光器通过电缆线与控制箱中的激光器控制电路相连接。

Portable multi gas telemetering device

A portable multi gas remote sensing device, which is composed of a portable probe and the control box is composed of two parts; the portable probe comprises a shell, in the middle of the shell of the horizontal direction from left to right, the first layout of a quartz window of protection of 45 degree planar mirror, off-axis parabolic mirror, hyperboloid secondary mirror, with a parabolic mirror the central through hole of the filter and the avalanche photodetector; in the arrangement of 45 degrees above the first reflecting mirror is second degrees 45 plane mirror and visual optical sight; the output signal of APD is connected by cables and control box lock in amplifier; in the case of off-axis parabolic mirror is arranged below the fiber the FC/APC connector and optical fiber connected with the beam combiner, and fiber combiner is connected to the integrated inside the casing 4 different tuning range of tunable half DFB A DFB tunable semiconductor laser is connected with a laser control circuit in the control box through a cable.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及矿产及油气开采储运安全保障中的气体检测

技术介绍
当前，随着工业的迅猛发展，对各种矿产以及油气资源的需求也日益增加。在矿产及油气资源开采和储运的过程中，难免产生易燃易爆的危险性气体，其中危险气体的主要成分有甲烷、乙烯、乙炔和一氧化碳（CO）。一旦发生燃烧和爆炸，会酿成重大安全事故，造成人员和财产的巨大损失。为降低安全隐患，必须对危险性气体进行实时、现场监测。如今，可调谐半导体激光吸收光谱技术已经被广泛应用于各个相关领域。其在矿产以及油气开采储运行业的危险气体检测中也得到了一定的应用。但是，现有的基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体检测传感器大多以固定地点安装为主，检测范围小，除非投入大量设备进行大范围传感器布点，否则难以实现对较大区域内危险气体的现场检测。目前，已出现基于开放光路的气体遥测设备。这些设备中，有的需要在开放吸收光程的另一端放置角锥棱镜，虽然实现了遥测的目的，但检测方向固定，无法实现大空间范围内检测方向的随意性，且检测方向易受实际检测场合中建筑物及仪器设备位置布局的影响，更无法实现便携可移动的检测目的；有的设备虽然无需角锥棱镜，实现了便携可移动的遥测目的，但其收发光学系统使其光谱响应范围较小、信号光收集效率较低，对于单一仪器设备难以实现高精度的多气体同时监测。所以，当前在矿产及油气开采储运行业中尚缺乏可实现宽光谱响应范围下多种危险气体同时高精度检测的便携式遥测装置，从而不利于可调谐半导体激光吸收光谱技术在工矿及油气储运行业危险气体检测中的应用推广。
技术实现思路
本专利技术提供一种便携式多气体遥测装置，它具有大空间范围内检测方向的随意性，收发光学系统使其光谱响应范围大、信号光收集效率高，使用单一仪器设备实现高精度的多种气体同时监测。本专利技术采取如下技术手段实现：一种便携式多气体遥测装置，它由便携式探头与控制箱两部分组成；便携式探头包括壳体，在壳体中部水平方向由左到右依次布置有石英保护窗、第一45°平面反射镜、离轴抛物面反射镜、双曲面副反射镜、带有中央通孔的抛物面主反射镜，滤光片和雪崩光电探测器；在第一平面反射镜的上方布置有第二45°平面反射镜和目视光学瞄准镜；雪崩光电探测器的输出信号通过电缆线与控制箱中的锁相放大器相连接；在离轴抛物面反射镜下方的壳体中设置有光纤FC/APC（圆形光学接头/面呈8度角并作微凸球面研磨抛光，FerruleConnect/AnglePolishedConnector）接头和与之连接的光纤合束器，与光纤合束器连接的是集成到壳体内部的4台可调谐范围不同的DFB（分布式负反馈，DistributedFeedback）可调谐半导体激光器，还有与DFB可调谐半导体激光器电连接的电源开关。便携式探头内集成有4台蝶形封装的DFB可调谐半导体激光器，实现了激光光源的发射与散射信号光的收集汇聚，同时探头中集成有瞄准光路，方便操作者对目标反射物的选择和瞄准。控制箱实现了对激光光源、探测器的控制以及信号数据的采集、分析和显示功能。本方案的具体特点还有，抛物面主反射镜的孔径为100mm，近轴曲率半径为282mm；双曲面副反射镜的孔径为14.8mm，面圆锥系数为-2，其近轴曲率半径为51mm。抛物面主反射镜与双曲面副反射镜相距120mm，远处散射光经抛物面主反射镜与双曲面副反射镜两次反射后汇聚于抛物面主反射镜中心处。放置滤光片与雪崩光电探测器用于接收汇聚后的散射信号光并将其转换成电信号。离轴抛物面反射镜孔径14.8mm，在垂直于光轴的方向上与壳体上FC/APC接口的距离为50mm，离轴抛物面反射镜的近轴曲率半径为50mm。离轴抛物面反射镜与双曲面副反射镜相距1mm安装固定。第一45°平面反射镜和第二45°平面反射镜之间的距离大于50mm且第一45°平面反射镜在垂直于光轴方向上的投影孔径与双曲面副反射镜和离轴抛物面反射镜通光孔径相等，从而避免了目视瞄准光路对散射光信号收集光路的遮挡。第一45°平面反射镜表面镀有在可见光波段内具有高反射率、在1400nm~1700nm波段内具有高透过率的宽带介质膜；第二45°平面反射镜表面镀有在可见光波段内具有高反射率的宽带介质膜；抛物面主反射镜、双曲面副反射镜以及离轴抛物面反射镜表面镀有在1400nm~1700nm波段内具有高反射率的宽带介质膜。根据已有的实验结果并基于HITRAN数据库，四种危险气体的吸收特征峰分布为：甲烷1654nm，乙烯的为1621nm，乙炔1529nm，一氧化碳1566nm。1400nm~1700nm波段可覆盖上述四种危险气体常用的吸收特征峰。四台DFB可调谐半导体激光器的输出尾纤经合束器合并成一束尾纤，其尾纤末端即为光纤FC/APC接头。DFB可调谐半导体激光器引脚焊接在PCB（印制电路板，PrintedCircuitBoard）电路板上并通过电缆线与控制箱中的激光器控制电路连接受其控制。DFB可调谐半导体激光器的调谐范围分别覆盖上述四种气体的吸收特征峰从而保证了整个便携式探头的光源光谱范围包含了四种气体的吸收特征光谱。整个便携式探头长小于200mm，外径小于150mm，外形似“手枪”，DFB可调谐半导体激光器及相应PCB板被固定于探头的“握把”区域内。控制箱包括电源以及与电源电连接的嵌入式微控制器、锁相放大器、信号发生器、激光器控制电路、数据显示和报警模块；便携式探头上的电源开关通过电缆线与电源相连。嵌入式微控制器控制信号发生器和激光器控制电路完成对DFB可调谐半导体激光器的驱动与调制，嵌入式微控制器与锁相放大器完成对检测信号的解调与相应数据的处理分析和存储，并通过数据显示及报警模块反映出检测结果。便携式多气体遥测装置的有益效果是：(1)便携式探头中集成了4台DFB可调谐半导体激光器，光谱输出范围覆盖甲烷、乙烯、乙炔、一氧化碳四种危险气体的吸收特征峰，输出光源保证了对四种气体同时监测的可行性；(2)便携式探头中采用离轴抛物面反射镜对发散的激光入射光束进行折转90°的同时将其高度准直，且仅采用一次反射就达到上述目的，减少了激光能量的损耗；(3)便携式探头中采用卡塞格林望远镜的类似结构，找到了面型匹配良好的抛物面与双曲面反射镜组，信号光汇聚后的光斑尺寸约为10um，小于一般探测器光敏面十几微米的尺寸，保证了所收集的信号光都可以照射探测器产生光电信号，大大提高了信号光的收集效率，保证了检测的灵敏度；(4)便携式探头的激光发射光路与信号光收集光路共轴，消除了激光投射位置对于收集光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种便携式多气体遥测装置，它由便携式探头与控制箱两部分组成；其特征是便携式探头包括壳体，在壳体中部水平方向由左到右依次布置有石英保护窗、第一45°平面反射镜、离轴抛物面反射镜、双曲面副反射镜、带有中央通孔的抛物面主反射镜，滤光片和雪崩光电探测器；在第一45°平面反射镜的上方布置有第二45°平面反射镜和目视光学瞄准镜；雪崩光电探测器的输出信号通过电缆线与控制箱内锁相放大器相连接；在离轴抛物面反射镜下方的壳体中设置有光纤FC/APC接头和与之连接的光纤合束器，与光纤合束器连接的是集成到壳体内部的4台可调谐范围不同的DFB可调谐半导体激光器，还有与DFB可调谐半导体激光器电连接的电源开关，DFB可调谐半导体激光器通过电缆线与控制箱中的激光器控制电路相连接。

【技术特征摘要】
1.一种便携式多气体遥测装置，它由便携式探头与控制箱两部分组成；其特征是便携
式探头包括壳体，在壳体中部水平方向由左到右依次布置有石英保护窗、第一45°平面反射
镜、离轴抛物面反射镜、双曲面副反射镜、带有中央通孔的抛物面主反射镜，滤光片和雪崩
光电探测器；在第一45°平面反射镜的上方布置有第二45°平面反射镜和目视光学瞄准镜；
雪崩光电探测器的输出信号通过电缆线与控制箱内锁相放大器相连接；
在离轴抛物面反射镜下方的壳体中设置有光纤FC/APC接头和与之连接的光纤合束器，
与光纤合束器连接的是集成到壳体内部的4台可调谐范围不同的DFB可调谐半导体激光器，
还有与DFB可调谐半导体激光器电连接的电源开关，DFB可调谐半导体激光器通过电缆线与
控制箱中的激光器控制电路相连接。
2.根据权利要求1所述的便携式多气体遥测装置，其特征是抛物面主反射镜的孔径为
100mm，近轴曲率半径为282mm；双曲面副反射镜的孔径为14.8mm，面圆锥系数为-2，其近轴
曲率半径为51mm。
3.根据权利要求1所述的便携式多气体遥测装置，其特征是抛物面主反射镜与双曲面
副反射镜相距120mm，远处散射光经抛物面主反射镜与双曲面副反射镜两次反射后汇聚于
抛物面主反射镜中心处。
4.根据权利要求1所述的便携式多气体遥测装置，其特征是离轴抛物面反射镜孔径
14.8mm，在垂直于光轴的方向上与壳体上FC/APC接口的距离为50mm...

【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：山东省科学院激光研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37