高精度低成本的气体光学吸收反射式吸收池制造技术

本实用新型专利技术公开了一种高精度低成本的气体光学吸收反射式吸收池，属于近红外气体光学吸收的技术领域。其涉及光学传感器，利用窄带激光器输出斜波扫描式的特定波长的光，经过环形器到达准直器A，准直器将光平行射出，到达准直器B，准直器B经过连接光纤到达法拉第旋转镜，法拉第旋转镜将光的偏振方向旋转90°，经过准直器B打出，返回到准直器A，准直器A再到达环形器，然后进行光电转换，得到转换后的信后进行强度检测，由于准直器的平行特性和让光扩束的特性使得光的出射和返回功率大大加强，提高了信噪比；法拉第旋转镜的加入解决了光的干涉的问题，大大提高了可检测的精度。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及基于高精度分布式的光纤甲烷传感系统的设计，适用于各种光学反射式气室，尤其涉及利用反射式来检测甲烷浓度的系统。
技术介绍
在红外甲烷传感器中，气室结构的设计通常关系到该传感器的性能好坏，所以，气室是传感器的关键部件之一，也是整套系统的关键，涉及到该系统的精度，灵敏度和稳定性。在生产和生活环境中由于意外和紧急情况所产生的甲烷气体对正常的生产生活造成了很大的危害，尤其是矿井中产生的甲烷气体，它是造成矿井瓦斯爆炸的重要组成气体。随着经济的发展，对甲烷气体的检测提出了更高的要求，而反射式甲烷传感器受环境影响小，灵敏度高，响应速度快，成本低廉等优点，成为了红外气体传感器领域研究的热门。反射式气室的基本原理是激光器打出一束光，经过准直器到达反射镜，反射镜在将光反射回来，再经过准直器到达光电转换器。具体原理如图1所示。怀特池反射式气室怀特池基本结构如图2所示怀特池是一种短距离的多次反射式气室，主要由一大两小3片共焦的凹球面镜构成，既可以实现光速的多次折返传输，又可以控制光束在传输中发散角不会被放大而利于接收。其基本原理是三个曲率中心相同的球形凹面镜，小镜分别为A，A’，完全相同，大镜为B。小镜A，A’被安装在同一平面上，大镜B处于小镜A，A’对面，且大镜B的曲率中心CB落在小镜A，A‘凹面内的中间，与A，A’在同一垂面上，小镜A，A’的曲率中心CA和CA’落在B的凹面内，CA和CA’相对于大镜B凹面中心对称分布。小镜A，A’和大镜B中间的距离是球面镜的曲率半径。由于球面曲率半径是焦距的二倍，因此当入射光照在小镜A上，经过大镜B的反射，可将从A反射出的光汇聚到A’，并从A’反射出怀特池，此为三次反射。怀特池缺点：1)制造难度大，调节难度大。由于怀特池的三面镜子的焦距必须严格相等，从制造的工艺上来说难以实现，而且需要调节光路，调节需要专业的仪器和人员才能校准2)实用成本高，不适合普遍的应用。市面上的有现成的怀特池，但其价格过于惊人，难以应用于实际场合，不能普遍应用。3)不适用于各种环境，耐久度低。怀特池由于是镜面镶嵌在气室中，在一些恶劣的环境中，如震动等难以稳定；且若气体为腐蚀性或环境恶劣，耐久度很低。透射式气室透射式气室原理如图3所示透射式气室工艺简单，成本低廉，适合用于各种场合。从激光发射装置发出的光进过气室到达光电接收装置进行转换，达到检测的目的。透射式气室的缺点1)透射式光程短，检测精度不高，灵敏度低。根据气体的吸收规律比尔-朗博定律，气室的长度越长，则可检测的精度越高，灵敏度也极低，实际应用难以达到应用标准。2)长距离透射式气室成本高，不方便装配和使用。相对于高精度的检测，需要使用长距离的气室，但制造长距离的气室(1m)成本高，且不方便装配。反射式气室反射式气室的原理如图4所示反射式气室根据光的发射原理，光垂直打入到气室中，然后经过反射镜反射，沿着原路返回，使得光程加大了2倍，提高了检测精度和灵敏度。反射式气室的缺点1)存在光的干涉问题。由于光的波动，反射的光与透射的光会相互干涉，形成干涉的条纹，从而影响检测精度甚至无法正常工作，且气室越长，干涉条纹越多，无法排除干涉影响，导致其精度大大下降。2)无法保证光的平行性，反射回来的光不一定能够完全反射到回路的检测中。并且会导致光的衰减，影响了检测精度。在各种环境下也难以使用。
技术实现思路
本技术依旧采用反射式的方式。解决了反射式气室中光的干涉问题和光的出射入射的平行问题，在各种实际应用场合中可以方便的得到实际的应用。其大大节省了成本，方便大量的生产投入使用。本技术是一种可以应用于各种场合的低成本的反射式气室，其解决了传统反射式气室的存在光的干涉现象的问题，大大提高了可检测的精度，并且解决了光的平行性问题，用较短的距离就能实现高精度的检测。本技术设计原理：1)根据比尔-朗伯定律，当一束光强为I0的平行光通过含有甲烷气体的气室时，如果光信号覆盖甲烷气体的吸收谱线，则透射或反射光强发生衰减。输出光强I(λ)与输入光强I0(λ)、气体浓度C之间的关系为：I(λ)=I0(λ)e-αλLC]]>其中，αλ甲烷气体在光波长为λ时的吸收系数，L是吸收路径的长度。推导可得；则ΔC=1α(λ)L×ln(IoIo-ΔI)]]>由此可见，气室的长度决定着可以检测的气体的灵敏度和精度。加长气室的长度会提高系统的灵敏度和精度，但太长的气室不利于装配，成本稍高；怀特池成本太高，各种环境不适用。唯有合适的长度和精度才是应用的要求。2)由于是反射式结构，反射式发出的光与返回的光，会造成干涉现象，导致精度降低或者无法完成检测。法拉第旋转镜是可以将光的偏振方向旋转90°的反射镜，由于光的初始的偏振方向是横波，且激光器发出的是振动方向与光传播方向垂直的单一振动方向的横波，当光经过法拉第旋转镜时，光的振动方向偏转90°返回，这样就无法形成干涉，可以很好的满足高精度的检测要求。本技术的结构该高精度的反射式吸收池，由环形器，前部保护端，准直器A，气室腔体，准直器B，法拉第旋转镜，后端保护套，连接光纤和单模光纤。环形器选用1650nm的环形器，其损耗极小。前部保护套用于连接和保护准直器，并保证准直器的垂直角度，使其拥有良好的稳定性和安全性。准直器A用于把激光器发散的光汇聚，平行的发射出去并进行扩束增大了光的横截面，加大了光与气体的接触面积，然后平行且准确的发射到准直器B接收。气室腔体由气体渗透套和保护外套组成，用于保护整体的气室结构。准直器B用于接收准直器A汇聚好的光束，并将其传输到法拉第旋转镜。法拉第旋转镜用于将光的振动方向旋转90°，并沿着原路打回去，解决了光的干涉的问题。后端保护套用于保护套用于保护准直器和法拉第旋转镜。连接光纤用于连接准直器和法拉第旋转镜。单模光纤用于光的传输。本技术的有益效果：本技术成功解决了常用的反射式气室由于干涉光电转换后振幅波动的影响造成的检测不准确，对于各类的检测系统，很好的提高了其检测的精度和系统的可靠性能。本技术采用双准直器对焦，无需复杂的光路调节措施，固定完成后则可直接使用，提高了返回信号的信噪比，适应于各种环境的应用，在各种恶劣的环境中可以保持良好的性能。本技术成本低廉，但实际应用最为广泛，可以大批量的生产使用。附图说明图1是该气体光学吸收反射式吸收池的整体详细结构图。图2是怀特池的基本结构。图3是透射式气室的基本结构。图4是反射式气室的基本结构。图5是气室腔体截面图。图6是该系统的整体框图。图7是该系统接普通的反射式气室最终产生的结果。图8是该系统接改进技术后的反射式气室最终产生的结果。具体实施方式激光器发射器发出调制后的激光(有扫描式，有正弦叠加式)；发出的激光通过准直器A平行的射出，到达准直器B，准直器B通过连接光纤，将光打到法拉第旋转镜，法拉第旋转镜将光的振动方向旋转90°，反射回准直器B，准直器B再将光平行打出，到达准直器A，准直器A接收到光，通过环形器到达光电转换装置。其中，连接光纤，传输光纤，准直器和环形器需要选用检测气体对应的波长，如甲烷的对应吸收峰波长为1645.5nm，则选用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度低成本的气体光学吸收反射式吸收池，其特征在于：包括环形器、前部保护端、准直器A、气室腔体、准直器B、法拉第旋转镜、后端保护套、连接光纤和单模光纤；环形器选用1650nm的环形器，前部保护套用于连接和保护准直器，并保证准直器的垂直角度，使其拥有良好的稳定性和安全性；准直器A用于把激光器发散的光汇聚，平行的发射出去并进行扩束增大了光的横截面，加大了光与气体的接触面积，然后平行且准确的发射到准直器B接收；气室腔体由气体渗透套和保护外套组成，用于保护整体的气室结构；准直器B用于接收准直器A汇聚好的光束，并将其传输到法拉第旋转镜；法拉第旋转镜用于将光的振动方向旋转90°，并沿着原路打回去；后端保护套用于保护准直器和法拉第旋转镜；连接光纤用于连接准直器和法拉第旋转镜；单模光纤用于光的传输。

【技术特征摘要】
1.一种高精度低成本的气体光学吸收反射式吸收池，其特征在于：包括环形器、前部保护端、准直器A、气室腔体、准直器B、法拉第旋转镜、后端保护套、连接光纤和单模光纤；环形器选用1650nm的环形器，前部保护套用于连接和保护准直器，并保证准直器的垂直角度，使其拥有良好的稳定性和安全性；准直器A用于把激光器发散的光汇聚，平行的发射出去并进行扩束增大了光的横截面，加大了光与气体的接触面积，然后平行且准确的发射到准直器B接收；气室腔体由气体渗透套和保护外套组成，用于保护整体的气室结构；准直器B用于接收准直器A汇聚好的光束，并将其传输到法拉第旋转镜；法拉第旋转镜用于将光的振动方向旋转90°，并沿着原路打回去；后端保护套用于保护准直器和法拉第旋转镜；连接光纤用于连接准直器和法拉第旋转镜；单模光纤用于光的传输。2.根据权利要求1所述的一种高精度低成本的气体光学吸收反射式吸收池，其特征在于：窄带激光器输出斜波扫描是特定波长的...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾祥犳，崔洪亮，王海旭，周天水，白杨，赵恩才，李亚，石霄，张瑾，
申请(专利权)人：吉林大学，珠海任驰光电科技有限公司，
类型：新型
国别省市：吉林;22